高精度雙斜坡輔助式混沌布里淵光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感*

王亞輝 趙樂(lè) 胡鑫鑫 郭陽(yáng) 張建忠喬麗君 王濤 高少華 張明江?

1) (太原理工大學(xué), 新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 太原 030024)

2) (太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院, 太原 030024)

近年來(lái), 基于受激布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警、國(guó)防安全等諸多領(lǐng)域, 振動(dòng)等動(dòng)態(tài)參量的實(shí)時(shí)傳感和精準(zhǔn)檢測(cè)已成為備受矚目的研究熱點(diǎn).本文提出一種基于增益開(kāi)關(guān)調(diào)制和雙斜坡輔助的混沌布里淵光相關(guān)域分析傳感技術(shù), 實(shí)現(xiàn)高精度、大范圍動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè).首先, 理論分析了單斜坡輔助系統(tǒng)中混沌激光固有的時(shí)延特征和功率隨機(jī)波動(dòng)特性對(duì)測(cè)量精度的影響和限制; 然后,利用增益開(kāi)關(guān)調(diào)制產(chǎn)生48.6 dB的高消光比脈沖, 使得混沌信號(hào)時(shí)延旁瓣和非零基底誘發(fā)的噪聲場(chǎng)被大幅抑制, 仿真結(jié)果表明聲波場(chǎng)信噪比提升3.31 dB, 實(shí)驗(yàn)測(cè)得混沌布里淵增益譜信號(hào)背景噪聲比提升1倍, 動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量精度由 ± 40.2 μe提高至 ± 23.1 μe; 最后, 利用雙斜坡輔助技術(shù), 消除混沌激光固有功率波動(dòng)的影響,動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量精度進(jìn)一步提升至 ± 8.1 μe, 系統(tǒng)穩(wěn)定性良好, 且動(dòng)態(tài)范圍仍保持800 μe, 為現(xiàn)代傳感網(wǎng)絡(luò)的高精度、大范圍動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)提供了一種新的解決方案.

1 引 言

21世紀(jì)以來(lái), 大型工程安全監(jiān)測(cè)需求日趨嚴(yán)峻, 分布式光纖傳感技術(shù)在智能電網(wǎng)、油氣管網(wǎng)、交通基礎(chǔ)設(shè)施、水利工程、軍事邊境安防等重要領(lǐng)域已獲得廣泛應(yīng)用[1,2].其中, 基于受激布里淵散射(stimulated Brillouin scattering, SBS)的光時(shí)域分析技術(shù)(Brillouin optical time-domain analysis,BOTDA)[3]和光相關(guān)域分析技術(shù)(Brillouin optical correlation-domain analysis, BOCDA)[4]由于其監(jiān)測(cè)距離長(zhǎng)、空間分辨率高、可實(shí)現(xiàn)溫度應(yīng)變多參量監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)而深受關(guān)注.然而, 傳統(tǒng)的SBS傳感器需通過(guò)耗時(shí)的頻率掃描過(guò)程使得探測(cè)光與泵浦光的頻率失諧量匹配光纖布里淵頻移(Brillouin frequency shift, BFS)以激發(fā)有效的SBS作用, 測(cè)得布里淵增益譜(Brillouin gain spectrum, BGS)并依其中心頻率解調(diào)光纖沿線任意位置的溫度、應(yīng)變信息.因此, 傳統(tǒng)SBS傳感器的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)性受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn), 多用于靜態(tài)監(jiān)測(cè), 而不適于動(dòng)態(tài)應(yīng)變等參量的測(cè)量[1?4].

為滿足現(xiàn)代傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)動(dòng)態(tài)變化參量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的重大需求, 國(guó)內(nèi)外研究者們針對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量范圍與監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性從兩個(gè)方向提出了多項(xiàng)創(chuàng)新解決方案[5,6].1)快速重構(gòu)振動(dòng)位置的BGS, 并依據(jù)其中心頻率實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變解調(diào).例如, 美國(guó)Voskoboinik等[7]提出將探測(cè)光頻率調(diào)制為光頻梳的免掃頻BOTDA技術(shù)可以30 kHz的速率解調(diào)BGS,以色列Peled等[8]利用任意波形發(fā)生器將探測(cè)光頻率切換速率提升至8 kHz, 哈爾濱工業(yè)大學(xué)董永康團(tuán)隊(duì)[9]利用光學(xué)啁啾鏈?zhǔn)紹OTDA系統(tǒng)將測(cè)量速率提升至6.25 MHz; 然而, 上述系統(tǒng)均屬于基于脈沖光源的BOTDA技術(shù), 動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)頻率與光纖長(zhǎng)度成反比, 且空間分辨率受限于脈沖寬度而難以突破1 m.因此, 日本Hotate團(tuán)隊(duì)[10]與上海交通大學(xué)何祖源團(tuán)隊(duì)[11]分別利用壓控振蕩器構(gòu)建了快速掃頻BOCDA系統(tǒng), 該方案可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)頻率與光纖長(zhǎng)度無(wú)關(guān)的高速單點(diǎn)測(cè)量, 空間分辨率達(dá)厘米量級(jí); 但與上述BGS快速解調(diào)方案類似, 系統(tǒng)成本與復(fù)雜度明顯提升, 動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量范圍與振動(dòng)頻率無(wú)法兼顧, 實(shí)用性嚴(yán)重受限.2)無(wú)需重構(gòu)BGS的斜坡輔助技術(shù)(slope assisted, SA), 該技術(shù)將探測(cè)光頻率鎖定在BGS上升沿或下降沿線性區(qū)并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該頻率下動(dòng)態(tài)應(yīng)變引起的探測(cè)光功率變化, 根據(jù)BGS線性范圍內(nèi)增益與頻移的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)時(shí)解調(diào)動(dòng)態(tài)應(yīng)變[12], 斜坡輔助方案由于其成本低、技術(shù)簡(jiǎn)便、適應(yīng)性強(qiáng)而備受青睞.例如,Peled等[13]首次提出單斜坡輔助(single-slope assisted, SSA)BOTDA技術(shù)實(shí)現(xiàn)了400 Hz動(dòng)態(tài)應(yīng)變檢測(cè), 但由于BGS譜寬較窄(30 MHz), 應(yīng)變范圍被限制在400 μe; 為提升應(yīng)變測(cè)量范圍, 布里淵增益-相移比[14]、BGS譜型調(diào)控[15]、多斜坡輔助[16?18]等技術(shù)先后被應(yīng)用于BOTDA系統(tǒng), 動(dòng)態(tài)范圍提升至5000 μe, 然而系統(tǒng)復(fù)雜度持續(xù)上升且空間分辨率仍受限.因此, 何祖源團(tuán)隊(duì)[19]提出雙斜坡輔助(dual-slope assisted, DSA)BOCDA技術(shù)將系統(tǒng)空間分辨率突破至厘米量級(jí), 但受限于BGS譜寬其動(dòng)態(tài)應(yīng)變范圍僅150 μe.

最近, 本課題組提出一種大范圍動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)的單斜坡輔助混沌BOCDA技術(shù)(SSA chaotic BOCDA, SSA-CBOCDA), 混沌激光獨(dú)特的寬帶光譜特性將混沌BGS本征展寬, 線性范圍擴(kuò)展至55 MHz; 基于此, SSA-CBOCDA系統(tǒng)不僅將空間分辨率提升至3.45 cm, 而且將動(dòng)態(tài)應(yīng)變范圍拓展至1200 μe[20,21].然而, 混沌激光自相關(guān)旁瓣和基底在光纖沿線引入一系列SBS噪聲場(chǎng), 導(dǎo)致系統(tǒng)信噪比較差, 且混沌激光固有的功率波動(dòng)使得動(dòng)態(tài)應(yīng)變-功率響應(yīng)存在大幅無(wú)規(guī)則振蕩, 這兩項(xiàng)因素導(dǎo)致SSA-CBOCDA系統(tǒng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量誤差明顯高于其他SA系統(tǒng).

為實(shí)現(xiàn)高精度動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè), 本文提出一種基于增益開(kāi)關(guān)調(diào)制和雙斜坡輔助的混沌布里淵光相關(guān)域分析動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù).首先, 本文利用增益開(kāi)關(guān)將SSA-CBOCDA泵浦路進(jìn)行高消光比的脈沖強(qiáng)度調(diào)制, 仿真結(jié)果驗(yàn)證待測(cè)光纖(fiber under test, FUT)中殘留的SBS噪聲場(chǎng)被大幅抑制, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示BGS的信號(hào)背景噪聲比(signal-to-background ratio, SBR)被明顯提升, SSA技術(shù)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量精度由 ± 40.2 μe提高至 ± 23.1 μe; 為繼續(xù)消除混沌激光固有功率波動(dòng)的影響, 本文提出DSA-CBOCDA方案, 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證DSA技術(shù)可實(shí)現(xiàn)0.7 dB功率波動(dòng)無(wú)關(guān)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變解調(diào), 最終利用該方案將動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量精度提升至 ± 8.1 μe, 且測(cè)量范圍仍保持800 μe.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

斜坡輔助式混沌布里淵光相關(guān)域分析動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示, 混沌激光由單反饋環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生并經(jīng)90/10的光耦合器分為兩路, 其中上支路(90%)作為探測(cè)光, 下支路(10%)作為泵浦光.探測(cè)光經(jīng)邊帶調(diào)制器(sideband modulator, SBM)進(jìn)行載波抑制的雙邊帶調(diào)制, 邊帶頻移量約等于光纖BFS, 且SBM由微波信號(hào)源(KEYSIGHT, N5173 B, 9 kHz—13 GHz)和電光調(diào)制器(electro-optical modulator, EOM, EOSPACE, 12.5 Gb/s)組成.調(diào)制后的混沌激光依次經(jīng)可編程光延遲發(fā)生器(programmable optical delay generator, PODG, General Photonics, ODG-101)

實(shí)現(xiàn)傳感點(diǎn)的定位、摻鉺光纖放大器(erbiumdoped fiber amplifier, EDFA1, Connet, MFAS-CB-LP)將探測(cè)光功率放大至7 dBm、擾偏器(polarization scrambler, PS, General Photonics, PCD-104)降低布里淵增益的偏振敏感效應(yīng), 最終通過(guò)光隔離器(isolator, ISO)注入到FUT末端.泵浦光經(jīng)強(qiáng)度調(diào)制器將連續(xù)混沌激光調(diào)制為脈沖混沌激光, 然后經(jīng)過(guò)EDFA2(Keopsys, CEFA-C-PB-HP)和光環(huán)行器(optical circulator, OC)注入到FUT前端, 其中EDFA2將泵浦光峰值功率放大至33 dBm.兩路光在FUT中發(fā)生SBS作用, 被放大的探測(cè)光通過(guò)OC輸入到帶寬6 GHz的帶通濾波器(band pass filter, BPF, Yenista, XTM-50), 濾出的斯托克斯光被光電探測(cè)器(photodetector, PD, Finisar,XPDV2120R)接收、鎖相放大器采樣(lock-in amplifier, LIA, AMETEK, Model 7270 DSP), 最終由計(jì)算機(jī)處理與分析.FUT由30 m的普通單模光纖(G.652)構(gòu)成, 其中光纖末端10 cm放置于電動(dòng)位移拉伸平臺(tái)(華維浩潤(rùn), ASC-N)上以施加動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)變.需要指出, 本實(shí)驗(yàn)采用的混沌激光帶寬與課題組在文獻(xiàn)[21]中的工作類似, 即混沌激光自相關(guān)曲線的中心峰寬度約0.36 ns, 系統(tǒng)空間分辨率約3.6 cm.

圖1 斜坡輔助式混沌布里淵光相關(guān)域分析動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置圖.插圖A為相同輸出功率下混沌激光器與分布式反饋半導(dǎo)體激光器的輸出信號(hào)時(shí)序, 插圖B為混沌激光自相關(guān)曲線和多階相關(guān)峰示意圖, 插圖C為連續(xù)混沌激光被調(diào)制為脈沖混沌激光Fig.1.Experimental setup of SA-CBOCDA for dynamic strain sensing.Inset A, the time series of chaotic laser and that of DFB-LD under the same output power.Inset B, the autocorrelation curve of chaotic laser and the schematic diagram of multiple order correlation peaks.Inset C, the continuous chaotic laser being amplitude-modulated into pulse chaos.

如圖1插圖A所示, 混沌激光輸出時(shí)序呈現(xiàn)大幅度、無(wú)規(guī)則的振蕩, 本文所使用混沌激光輸出功率為500 μW, 其時(shí)序振蕩峰峰值可達(dá)7.8 mV,是相同輸出功率下分布式反饋半導(dǎo)體激光器

(distributed feedback laser diode, DFB-LD)輸出時(shí)序峰峰值的6.5倍, 且兩者的均值都保持在28 mV.斜坡輔助技術(shù)中, 動(dòng)態(tài)應(yīng)變的大小決定了固定頻率下探測(cè)光的實(shí)時(shí)布里淵增益.根據(jù)BOCDA技術(shù)傳感原理, 探測(cè)光強(qiáng)度的增益過(guò)程可用如下公式表示[22]:

其中,Is和Ia分別為被SBS增益前后的探測(cè)光強(qiáng)度,Ip為泵浦光強(qiáng)度,gB為光纖布里淵增益系數(shù),?z表示光纖中相關(guān)峰的寬度(即理論空間分辨率).由(1)式可知, 探測(cè)光強(qiáng)度的變化主要決定于單位空間分辨率距離內(nèi)泵浦光提供的SBS增益GSBS=gBIp?z.在CBOCDA系統(tǒng)中, 由于混沌激光的時(shí)域振蕩特性, 泵浦光強(qiáng)度可表示為Ip(t)=Ip0·u(t) , 其中Ip0為均值強(qiáng)度,u(t) 為強(qiáng)度隨時(shí)間的振蕩函數(shù)(定義為泵浦光強(qiáng)度波動(dòng)因子), 因此布里淵增益及探測(cè)光強(qiáng)度均隨時(shí)間大幅度振蕩; 同理可知, 傳統(tǒng)基于DFB-LD的傳感系統(tǒng)中, 泵浦光強(qiáng)度可近似表示為Ip=Ip0, 故由泵浦光強(qiáng)度波動(dòng)引起的增益波動(dòng)極其微弱.

此外, 探測(cè)光增益還會(huì)受到光纖中相關(guān)峰的影響.在理想的CBOCDA系統(tǒng)中, 由于混沌激光時(shí)序自相關(guān)曲線的類δ函數(shù)特性, 任意距離FUT中存在唯一的0階相關(guān)峰z0, 僅在該峰內(nèi)激發(fā)有效的SBS效應(yīng).然而, 混沌激光固有的時(shí)延特征(time delay signature, TDS)導(dǎo)致其自相關(guān)曲線中心峰兩側(cè)存在一系列旁瓣峰, 且自相關(guān)基底也呈現(xiàn)隨機(jī)起伏的振蕩狀態(tài); 上述旁瓣峰zn,n=±1,2,···和非零基底zbase會(huì)在FUT中激發(fā)一系列的SBS聲波場(chǎng).如圖1插圖B所示, 假設(shè)以此混沌激光為探測(cè)信號(hào), 當(dāng)FUT長(zhǎng)度為120 m時(shí), 除中心位置外,FUT中還存在至少8階旁瓣峰, 即同時(shí)激發(fā)產(chǎn)生了至少16個(gè)強(qiáng)度明顯的噪聲SBS聲波場(chǎng); 此外,非零基底zbase也會(huì)激發(fā)隨光纖長(zhǎng)度不斷累積的微弱噪聲場(chǎng).因此, 中心峰位置處的GSBS被進(jìn)一步干擾惡化, 最終測(cè)得的探測(cè)光強(qiáng)度可表示為

為了抑制系統(tǒng)背景噪聲, 本課題組已經(jīng)提出時(shí)域門(mén)控方案[23], 如圖1插圖C所示, 連續(xù)混沌激光被調(diào)制為脈沖混沌激光, 脈沖持續(xù)時(shí)間τp與單反饋混沌環(huán)腔長(zhǎng)對(duì)應(yīng)時(shí)間一致.此時(shí), 混沌泵浦光強(qiáng)度修正為

其中 r ect(ξ) 為矩形脈沖函數(shù), 僅當(dāng)時(shí)取值為1.因此, 脈沖混沌泵浦光理論上可使光纖中僅存在z0,zn,n=±1,2,···和zbase則被完全抑制; 實(shí)際上, 脈沖調(diào)制消光比將直接影響噪聲場(chǎng)的抑制程度, 由于混沌激光的振蕩特性, 本文定義消光比(extinction ratio, ER)為脈沖高電平時(shí)間內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度均值與脈沖基底時(shí)間內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度均值之比;當(dāng)ER值較大時(shí)以τp時(shí)間內(nèi)z0激發(fā)的SBS效應(yīng)為主, 當(dāng)ER值較小時(shí)隨光纖長(zhǎng)度逐步累積(T?τp時(shí)間內(nèi))的zn,n=±1,2,···和zbase噪聲增益占據(jù)主導(dǎo).

綜上所述, SA-CBOCDA系統(tǒng)中泵浦光為探測(cè)光提供的SBS增益可表示為

其中,τp和T分別表示最佳的脈沖持續(xù)時(shí)間和脈沖信號(hào)周期;η表示泵浦脈沖調(diào)制ER值, 且η1 ,η=1表示未施加脈沖調(diào)制.由(4)式可知, SACBOCDA系統(tǒng)中,同時(shí)受泵浦光強(qiáng)度波動(dòng)因子u(t) 和脈沖調(diào)制消光比η的影響, 探測(cè)光強(qiáng)度存在較大的固有波動(dòng)和噪聲干擾; 由于探測(cè)光功率(確定的光纖系統(tǒng)中, 探測(cè)光強(qiáng)度變化可等價(jià)于探測(cè)光功率變化)與動(dòng)態(tài)應(yīng)變的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系, 導(dǎo)致動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量精度明顯弱于基于DFB激光的SA系統(tǒng).為抑制系統(tǒng)噪聲增益源, 本文提出基于增益開(kāi)關(guān)的高消光比脈沖調(diào)制和基于雙斜坡輔助的免泵浦功率波動(dòng)依賴技術(shù), 最終實(shí)現(xiàn)高精度的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 基于增益開(kāi)關(guān)調(diào)制的動(dòng)態(tài)應(yīng)變精度提升

原始時(shí)域門(mén)控CBOCDA系統(tǒng)中, 連續(xù)混沌泵浦光被EOM調(diào)制為脈沖光, 通過(guò)調(diào)節(jié)射頻脈沖電壓控制信號(hào)消光比; 然而, EOM自身特性只能提供小于40 dB的消光比, 且存在插入損耗大、消光比不穩(wěn)定、偏壓控制復(fù)雜等缺點(diǎn)[24], 導(dǎo)致傳統(tǒng)時(shí)域門(mén)控系統(tǒng)的脈沖消光比差、系統(tǒng)復(fù)雜度高、背景噪聲抑制不完全.因此, 提出基于增益開(kāi)關(guān)(gain switch, GS)的調(diào)制方案, 實(shí)現(xiàn)高且穩(wěn)定的消光比而進(jìn)一步提升信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)、降低系統(tǒng)復(fù)雜度.

圖2 不同調(diào)制方式及作用效果 (a)不同調(diào)制方式下脈沖混沌光時(shí)序及消光比; (b)不同調(diào)制方式下仿真的混沌受激布里淵聲波場(chǎng)強(qiáng)度及信噪比Fig.2.Different modulation methods and the corresponding effects: (a) The time series of pulse chaos and ERs of these under different modulation modes; (b) simulation results of chaotic SBS acoustic field amplitude and the corresponding SNR.

圖2 (a)所示為實(shí)驗(yàn)測(cè)得原始狀態(tài)、EOM調(diào)制與GS調(diào)制混沌激光時(shí)序, 并對(duì)不同調(diào)制方式下的消光比ER=20·log(Vpeak/Vbase) 進(jìn)行了對(duì)比分析.由圖2(a)可以看出, EOM調(diào)制提供僅25.1 dB的ER值, GS調(diào)制消光比可達(dá)48.6 dB, 比EOM調(diào)制提升了約23.5 dB.根據(jù)(4)式可知, GS的高消光比調(diào)制可大幅抑制zn,n=±1,2,···和zbase噪聲峰, 為了驗(yàn)證這一效果, 本文首先仿真模擬了不同調(diào)制情況下的SBS聲波場(chǎng)強(qiáng)度.如圖2(b)所示, 黑色曲線為連續(xù)混沌激光入射30 m光纖中時(shí)的聲波場(chǎng)分布情況, 已知混沌激光時(shí)延腔長(zhǎng)為5 m, 因此除光纖中心15 m處z0外, 10與20 m處存在強(qiáng)度較大的z±1, 5與25 m處甚至存在z±2; 此外, 混沌激光自相關(guān)基底激發(fā)的SBS噪聲強(qiáng)度也被清晰觀測(cè)到.混沌SBS聲波場(chǎng)信噪比定義為中心峰強(qiáng)度Acp與噪聲峰峰值強(qiáng)度Anp的比值SNR=10·log(Acp/Anp), 則基于連續(xù)混沌激光的SBS聲波場(chǎng)SNR約為5.69 dB.EOM調(diào)制系統(tǒng)中,z±1和zbase被抑制效果明顯,z±2幾乎完全消失, SNR值也提高至8.33 dB, 然而未完全消除的噪聲峰仍會(huì)隨光纖長(zhǎng)度持續(xù)累積并惡化探測(cè)光的SBS增益.GS的高消光比調(diào)制使得z±1,2和zbase幾乎均被完全抑制, SNR提升至11.64 dB, 約為基于連續(xù)混沌激光系統(tǒng)的2倍, 且與EOM調(diào)制系統(tǒng)相比也有3.31 dB的提升.

根據(jù)本課題組的早期研究結(jié)果[23,25,26], CBOCDA系統(tǒng)噪聲峰的抑制效果將直接體現(xiàn)為混沌BGS的SBR值水平, 因此, 本實(shí)驗(yàn)繼續(xù)對(duì)比了不同調(diào)制方式下的混沌BGS.為了更好地比較分析BGS包絡(luò)及SBR, 將EOM調(diào)制和GS調(diào)制系統(tǒng)中測(cè)得的混沌BGS進(jìn)行了歸一化處理, 如圖3所示.可以看出, GS調(diào)制系統(tǒng)背景噪聲水平明顯更低, 其SBR值為15.22 dB, 約為EOM調(diào)制系統(tǒng)的2倍.此外, 圖3插圖為測(cè)得的原始增益譜, 可以看出, GS高消光比調(diào)制顯著提升了SBS增益強(qiáng)度, 通過(guò)PD探測(cè)到約0.013 mV的峰值增益增量.GS調(diào)制實(shí)現(xiàn)了與長(zhǎng)腔反饋混沌激光[21]相同的噪聲抑制效果, 且實(shí)用性更強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離高信噪比BGS測(cè)量.此外, 已知SA技術(shù)是通過(guò)探測(cè)鎖定頻率下的布里淵增益實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變解調(diào)的, 因此, 優(yōu)化后的增益譜可促進(jìn)理論上獲得更精確的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量.

圖3 不同調(diào)制方式下的歸一化混沌布里淵增益譜及其信號(hào)背景噪聲比; 插圖為測(cè)得的原始布里淵增益譜Fig.3.Normalized chaotic BGSs and SBR analysis of these,under different modulation modes.Inset view: the measured original BGSs, corresponding to the main view.

基于圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置, 泵浦路分別利用EOM和GS實(shí)現(xiàn)脈沖強(qiáng)度調(diào)制, 探測(cè)光頻率鎖定在混沌BGS下降沿10.865 GHz處, 通過(guò)電動(dòng)拉伸位移平臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)態(tài)應(yīng)變.為保證探測(cè)光功率對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變的線性響應(yīng), 本實(shí)驗(yàn)施加的動(dòng)態(tài)應(yīng)變大小為0—800 μe, 消除由功率-應(yīng)變轉(zhuǎn)換系數(shù)引起的測(cè)量誤差[20].圖4(a)和圖4(b)分別給出了EOM調(diào)制與GS調(diào)制下SSA-CBOCDA系統(tǒng)測(cè)得的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)序及其正弦擬合曲線, 由圖可知, 兩種調(diào)制方式下動(dòng)態(tài)應(yīng)變值均可被準(zhǔn)確地解調(diào).為了表示測(cè)量精度, 本文首先比較了兩條正弦擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2, GS調(diào)制系統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)0.9793略大于EOM調(diào)制系統(tǒng), 但均接近于1, 表明兩者的擬合結(jié)果均較好, 但是GS調(diào)制系統(tǒng)的相關(guān)性更高.此外, 本文詳細(xì)分析了兩種調(diào)制方式下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量誤差, 如圖4(c)所示, 藍(lán)色和紅色點(diǎn)圖分別表示EOM調(diào)制、GS調(diào)制系統(tǒng)中15次獨(dú)立重復(fù)測(cè)量的動(dòng)態(tài)應(yīng)變誤差均值及不確定度, 插圖為單次測(cè)量誤差的測(cè)算依據(jù)和典型結(jié)果.EOM調(diào)制系統(tǒng)中誤差明顯更大, 標(biāo)準(zhǔn)偏差σE為 ± 40.2 μe, 相對(duì)誤差達(dá) ± 5.0%.經(jīng)過(guò)GS調(diào)制改進(jìn), SSA-CBOCDA系統(tǒng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量誤差σG降低至 ± 23.1 μe, 相對(duì)誤差縮小為 ± 2.9%.此外, 不同調(diào)制系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)偏差的不確定度均較小, 進(jìn)一步表明精度測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好.圖4(d)所示為兩種調(diào)制方式下測(cè)得的動(dòng)態(tài)應(yīng)變的振動(dòng)頻率, 結(jié)果表明基頻1.3 Hz和二次諧振頻率2.6 Hz均可被準(zhǔn)確檢測(cè); 需要指出, 本實(shí)驗(yàn)采用的電動(dòng)位移拉伸平臺(tái)由一對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制, 電機(jī)的低速往復(fù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致振動(dòng)頻率較低, 下一步將考慮使用壓電陶瓷振蕩器提供高頻的動(dòng)態(tài)應(yīng)變.

綜上所述, 在基于增益開(kāi)關(guān)調(diào)制的SSA-CBOCDA系統(tǒng)中, 混沌激光旁瓣峰和非零基底引起的SBS增益噪聲被大幅抑制, 動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量精度提升了約1.7倍.然而, 由(4)式可知, GS調(diào)制并不能消除由混沌激光固有功率波動(dòng)u(t) 導(dǎo)致的測(cè)量誤差; 此外, GS調(diào)制會(huì)導(dǎo)致脈沖高電平持續(xù)時(shí)間內(nèi)更強(qiáng)的功率波動(dòng), 因此本文提出雙斜坡輔助技術(shù)繼續(xù)提升動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量精度.

圖4 不同調(diào)制方式下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果 (a) EOM調(diào)制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量時(shí)序及正弦擬合曲線; (b) GS調(diào)制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量時(shí)序及正弦擬合曲線; (c)兩種調(diào)制方式下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量誤差, 插圖為單次測(cè)量典型結(jié)果; (d)兩種調(diào)制方式下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變頻率Fig.4.The results of dynamic strain measurement under different modulation modes: (a) Time series and sine fitting curve of dynamic strain in EOM modulation system; (b) time series and sine fitting curve of dynamic strain in GS modulation system;(c) measurement error of dynamic strain under two modulation modes, inset view is the typical result of a single measurement;(d) vibration frequency under two modulation modes.

3.2 基于雙斜坡輔助的動(dòng)態(tài)應(yīng)變精度提升

斜坡輔助技術(shù)中, 上升沿鎖定頻率v+下的對(duì)數(shù)型探測(cè)光增益可表示為[19]

其中,gB0表示有效布里淵增益系數(shù)且僅與光纖材料、光路偏振狀態(tài)有關(guān)(在確定的系統(tǒng)中可認(rèn)為是常 數(shù)),vB表示應(yīng) 變、溫 度 等引起的BFS, ?vB為BGS線寬(本實(shí)驗(yàn)中混沌BGS線寬約50 MHz),SN(vB)為歸一化的BGS.

同理可得, 下降沿鎖定頻率v?下的對(duì)數(shù)型探測(cè)光增益可表示為

由(5)式和(6)式可以發(fā)現(xiàn), 無(wú)論頻率鎖定在上升沿或下降沿, 探測(cè)光增益均與泵浦光強(qiáng)度(即泵浦光功率)成正比, 因此可得兩個(gè)確定頻率下的增益比RB為

經(jīng)過(guò)雙斜坡比值分析可知, 動(dòng)態(tài)應(yīng)變大小僅與鎖定頻率下的增益大小有關(guān), 與泵浦光功率無(wú)關(guān).

圖5詳細(xì)分析了DSA方法的原理, 以歸一化的混沌BGS(藍(lán)色虛線)為例, 分別取上升沿與下降沿中心頻率v+,v?為鎖定頻率, 此時(shí)兩點(diǎn)頻率間隔恰好為BGS線寬v??v+=?vB, 保證最大化利用混沌BGS的本征寬譜特性; ?v表示動(dòng)態(tài)應(yīng)變引起的相對(duì)BFS, 易知 ?v=0 時(shí)RB=0 , 保持間隔 ?vB并以v+,v?為中心在BGS譜線上取不同大小應(yīng)變引起的 ?v對(duì)應(yīng)的增益值, 最終求得如圖5紅色實(shí)線所示的RB分布曲線.由圖可知,RB曲線至少擁有40 MHz的線性區(qū)間(紫色圓點(diǎn)所示, –20—+20 MHz), 即可精確測(cè)量的動(dòng)態(tài)應(yīng)變范圍至少為800 μe.

圖5 雙斜坡輔助技術(shù)原理示意圖 (a)布里淵增益比的理論分析; (b)布里淵增益比實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的理論模型Fig.5.Principle of DSA method: (a) theoretical analysis of RB ; (b) theoretical model for experimentally calibrating R B.

如前所述, 為了免除光纖松弛對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響, 本實(shí)驗(yàn)將光纖拉伸段施加約300 μe的預(yù)拉伸, 并基于此狀態(tài)下的增益譜選定頻率v+,v?.如圖5(b)所示, 此時(shí)G300?≈G300+≈0.5 , 即RB≈0 dB; 當(dāng)施加應(yīng)變分別為0和800 μe時(shí), 根據(jù)圖中圓點(diǎn)標(biāo)識(shí), 計(jì)算得增益比值分別約為–0.42和0.62 dB, 均保持在圖5(a)RB曲線所示的線性區(qū)內(nèi).具體實(shí)驗(yàn)時(shí), 如圖6(a)所示, 分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)頻率下施加不同大小準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變時(shí)的探測(cè)光時(shí)序, 計(jì)算得不同應(yīng)變對(duì)應(yīng)的RB曲線; 由圖6(a)可以看出,0與800 μe時(shí)RB取值與理論分析基本一致, 當(dāng)應(yīng)變以200 μe步進(jìn)從0 μe增加至800 μe時(shí),RB幾乎呈現(xiàn)線性上升趨勢(shì), 且300 μe時(shí)RB值近似于0 dB.不同應(yīng)變對(duì)應(yīng)RB的均值被進(jìn)一步提取并做線性擬合, 如圖6(b)所示, 相關(guān)系數(shù)RR2約等于0.9990表明了RB與應(yīng)變值的良好線性關(guān)系; 根據(jù)曲線斜率可得, 該DSA系統(tǒng)的最終增益比—應(yīng)變轉(zhuǎn)換系數(shù)Cs約為0.0012 dB/μe.

為了驗(yàn)證DSA技術(shù)可以消除泵浦功率波動(dòng)影響, 本文測(cè)量了基于上升沿和下降沿中心頻率鎖定的SSA動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)時(shí)序, 動(dòng)態(tài)應(yīng)變大小為0—600 μe, 同時(shí)手動(dòng)添加了泵浦光先減后增的大范圍功率波動(dòng).如圖7(a)所示, 無(wú)論上升沿或下降沿頻率鎖定, SSA技術(shù)均可實(shí)時(shí)反映動(dòng)態(tài)應(yīng)變引起的布里淵增益強(qiáng)度變化, 然而其響應(yīng)時(shí)序呈現(xiàn)與泵浦光功率一致的先下降后上升趨勢(shì), 峰值功率波動(dòng)達(dá)0.7 dB, 無(wú)法利用功率-應(yīng)變轉(zhuǎn)換系數(shù)準(zhǔn)確解調(diào)動(dòng)態(tài)應(yīng)變大小.根據(jù)DSA技術(shù)原理, 將圖7(a)中的兩列時(shí)序進(jìn)行比值計(jì)算并利用Cs解調(diào)便得圖7(b)中藍(lán)色曲線所示動(dòng)態(tài)應(yīng)變序列.可以看出,動(dòng)態(tài)應(yīng)變大小已被準(zhǔn)確還原, 利用正弦擬合曲線進(jìn)一步驗(yàn)證了較好的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量正確度(相關(guān)系數(shù)R2≈0.9642).

圖6 雙斜坡輔助系統(tǒng)的增益比-應(yīng)變轉(zhuǎn)換系數(shù) (a)不同大小準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變對(duì)應(yīng)的增益比曲線; (b)根據(jù)線性擬合曲線計(jì)算的轉(zhuǎn)換系數(shù)Fig.6.Estimate of the conversion coefficient, C s , between the strain value and R B in DSA system: (a) TheRB curves under different quasi-static strain; (b) final coefficient calculated from the linear fitted curve.

基于上述驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和轉(zhuǎn)換系數(shù), 本文在僅有混沌激光自身功率波動(dòng)的情況下, 利用DSA技術(shù)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)應(yīng)變大小及精度的最終測(cè)定.如圖8所示, 圖8(a)中藍(lán)色曲線為實(shí)際測(cè)量的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)序, 0—800 μe動(dòng)態(tài)應(yīng)變被準(zhǔn)確測(cè)量; 對(duì)測(cè)量值做如紅色點(diǎn)圖所示的正弦擬合, 擬合相關(guān)性高達(dá)0.9972; 同時(shí)如圖8(b)中藍(lán)色點(diǎn)圖所示, 通過(guò)15次獨(dú)立重復(fù)測(cè)量計(jì)算得應(yīng)變測(cè)量誤差σD為 ± 8.1 μe,插圖即為單次測(cè)量誤差的測(cè)算依據(jù)和典型結(jié)果; 相對(duì)誤差下降至 ± 1%, 動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量精度明顯提升.動(dòng)態(tài)應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)偏差的不確定度僅± 1.0 μe, 表明了雙斜坡輔助系統(tǒng)具有更好的測(cè)量準(zhǔn)確度和系統(tǒng)穩(wěn)定性.此外, 動(dòng)態(tài)應(yīng)變振動(dòng)基頻1.3 Hz也被準(zhǔn)確檢測(cè), 動(dòng)態(tài)應(yīng)變頻率與SSA系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果一致(電動(dòng)位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度并未改變).

圖7 雙斜坡輔助技術(shù)消除泵浦功率波動(dòng)影響的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) (a)手動(dòng)施加泵浦光功率波動(dòng)時(shí)利用單斜坡輔助技術(shù)測(cè)得的動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)時(shí)序; (b)雙斜坡輔助技術(shù)解調(diào)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變大小Fig.7.The verification experiment of pump-power-independent measurement by using DSA method: (a) Measured Brillouin amplitude using SSA method when a dynamic strain is applied with a manual change of pump power; (b) measured dynamic strain using DSA method.

圖8 施加0?800 μe時(shí)的雙斜坡輔助系統(tǒng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果 (a)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量時(shí)序及正弦擬合曲線; (b)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量誤差,插圖為單次測(cè)量典型結(jié)果; (c)動(dòng)態(tài)應(yīng)變振動(dòng)頻率Fig.8.Measurement results of DSA system when a dynamic strain of 0?800 μe is applied: (a) Measured time trace and sine-fitted curve; (b) measurement error, inset view is the typical result of a single measurement; (c) vibration frequency.

4 結(jié) 論

本文提出了一種高精度的斜坡輔助式混沌布里淵光相關(guān)域分析動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù).首先, 理論分析了混沌激光固有的功率隨機(jī)波動(dòng)特性、自相關(guān)曲線旁瓣峰和隨機(jī)基底對(duì)SA-CBOCDA系統(tǒng)測(cè)量精度的影響和限制; 其次, 利用增益開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)48.6 dB的高消光比脈沖調(diào)制, 與EOM調(diào)制系統(tǒng)相比, 仿真得GS調(diào)制可將SBS聲波場(chǎng)的信噪比提升3.31 dB、實(shí)驗(yàn)測(cè)得GS調(diào)制可將混沌BGS的信號(hào)背景噪聲比提升1倍, 實(shí)驗(yàn)證明動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量精度由 ± 40.2 μe提高至 ± 23.1 μe, 相對(duì)誤差從± 5.0%縮小為 ± 2.9%, 且標(biāo)準(zhǔn)偏差不確定度由± 3.3 μe降低至 ± 2.5 μe; 最后, 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙斜坡輔助技術(shù)可免除大范圍泵浦功率波動(dòng)的影響,DSA-CBOCDA系統(tǒng)將動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量精度再次提升至 ± 8.1 μe, 相對(duì)誤差僅 ± 1%, 動(dòng)態(tài)范圍仍保持0—800 μe, 且標(biāo)準(zhǔn)偏差不確定度僅 ± 1.0 μe,實(shí)現(xiàn)了高精度、大范圍、高穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感.與SSA-CBOCDA系統(tǒng)相比[20,21], 本文方案的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量精度提升顯著, 約為原來(lái)的5倍, 測(cè)量范圍略微下降為原來(lái)的 2 /3 , 下一步將繼續(xù)開(kāi)發(fā)多斜坡輔助技術(shù)拓展動(dòng)態(tài)范圍.與現(xiàn)有的DSA系統(tǒng)相比[16,19], DSA-CBOCDA系統(tǒng)測(cè)量精度基本一致,但是測(cè)量范圍遠(yuǎn)大于150 μe.此外, 本文動(dòng)態(tài)應(yīng)變振動(dòng)頻率受步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)動(dòng)和LIA低采樣率的限制而保持在Hz量級(jí), 未來(lái)研究中將采用壓電陶瓷振蕩器提供高頻的動(dòng)態(tài)應(yīng)變和高速數(shù)字示波器進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣, 將振動(dòng)頻率提升至kHz量級(jí).綜上所述, 本文實(shí)現(xiàn)了一種高精度、大范圍動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)的DSA-CBOCDA系統(tǒng), 同時(shí)保持厘米級(jí)高空間分辨率, 將為現(xiàn)代工業(yè)中動(dòng)態(tài)變化參量的精準(zhǔn)定位和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供一種新型解決方案.