布里渊光时域反射仪分布式光纤传感研究进展 
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1 引言
光纤传感技术自20世纪70年代诞生以来,便受到科研从业者的关注和研究,是一种极具潜力的传感技术。光纤传感因其传播介质的特点,拥有抗电磁干扰、绝缘性好、体积小、质量小、耐高温、抗腐蚀等优点。随着光纤制造业的成熟,光纤性能越来越好,价格也越来越便宜。这使得光纤传感开始走出实验室,更多地进入实际应用中。在所有的光纤传感中,分布式光纤传感器没有使用大量传感单元,而是直接使用光纤本身作为传感介质,具有结构简单、易生产、可复制性强的优点,可实现无死角、长距离、全天候的传感。
根据传感原理,分布式光纤传感技术大致可分为瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射三个大类。基于瑞利散射的光时域反射仪(OTDR)传感技术可用于光纤损耗、断点的测量,其中相位OTDR可用于振动的测量;拉曼散射由于具有反斯托克斯光和温度敏感的特性,可用于温度传感。相比发展较成熟的瑞利散射和拉曼散射的传感技术,基于布里渊散射的传感技术发展较晚,但因其具有可同时测量应变和温度的特性,以及准确率高、空间分辨率高、测量距离长的优点,在最近三十年间受到了较多的关注。
在基于布里渊散射的温度和应变分布式传感技术中,根据具体的原理和系统结构,研究方向可分为:布里渊光时域反射仪[1](BOTDR)、布里渊光时域分析仪[2](BOTDA)、布里渊光频域分析仪[3](BOFDA)、布里渊光频域反射仪[4](BOFDR)、布里渊光相关域分析仪[5](BOCDA)、布里渊光相关域反射仪[6](BOCDR)。其中,BOTDR和BOTDA是研究最多的两个方向。相比BOTDA,BOTDR虽然信噪比较低,但具有单端发射和接收的特点,且系统简单,设备花费小,具有更丰富的实际应用潜力。同时,BOTDR具有广阔的应用前景,不仅可用于大型基础设施的结构安全监控,还可用于地质灾害预警、土壤温度监测、电力传输线系统监控等场景。
本文首先简单介绍了BOTDR的基本原理和实现温度和应变传感的方式,介绍了有关BOTDR传感性能的四个指标;接着回顾了BOTDR传感的研究进展,列举了目前BOTDR的具体应用实例;最后总结了发展趋势,给出展望。
2 基本原理
BOTDR的基本原理为布里渊散射效应。当光纤中的入射光功率不高时,光纤中材料分子因分布不均而产生的热运动产生声学噪声,引起光纤材料折射率发生变化,并因声学特性表现出周期性的特征,由声波形成了折射率光栅。当入射光经过折射率光栅时,光波发生衍射,从而产生散射光。因为多普勒效应,散射光相比入射光有一定的频率位移,这便是自发布里渊散射。根据入射光和折射率光栅的方向相同或相异,散射光分为频率下移的斯托克斯光和频率上移的反斯托克斯光。
入射光和斯托克斯光之间的频移可以表示为
式中:νB为布里渊频移;vA为光纤中的声速;λP为入射光中心波长;n为光纤折射率。
对于普通的单模光纤来说,当入射光波长在1550 nm附近时,布里渊频移νB在11 GHz左右。布里渊散射光的光谱呈洛伦兹形状,其在普通单模光纤中的带宽约为几十兆赫兹。由于窄带宽特性,基于布里渊散射的传感具有测量精度高的优势。当传感光纤中某一部位的温度和应变出现变化时,光纤折射率和光纤中声速会发生变化,从而引起布里渊频移发生变化。此外,布里渊散射光功率也对温度和应变的变化敏感。温度和应变与频移和功率之间的关系可以表示为
式中,Cνε和CνT分别是应变和温度对布里渊频移的相关系数,CPε和CPT分别是应变和温度对布里渊散射光功率的相关系数,Δε和ΔT分别是应变和温度的变化,ΔνB和ΔPB/PB分别是布里渊频移和功率变化比值。
通过(2)式可知,应变和温度的变化可以通过相关系数矩阵的逆矩阵与布里渊频移和功率变化比值的矩阵乘积得到。前提条件是该逆矩阵是非奇异矩阵,即满足CνεCνT≠CPεCPT条件。于是可得
该方法是在BOTDR中实现温度和应变同时测量的典型方式。通过测量布里渊散射光的功率和频移,可以还原出温度和应变在光纤每一处的变化。
BOTDR系统的示意图如
式中,c为真空中的光速。
探测脉冲在光路中传播时,不仅产生布里渊散射光,还会产生瑞利散射光。自发布里渊散射光的功率通常比瑞利散射小一到两个数量级。在BOTDR系统中,入射探测脉冲的功率消耗主要来源于光纤损耗,自发布里渊散射和瑞利散射对探测光功率损耗的影响可以忽略不计。当探测脉冲光入射到传感光纤中时,脉冲光需要经历正向传输损耗,自发产生的布里渊散射光背向传输时也需要经历光纤的传输损耗。当脉冲光在光纤中传播时,产生的自发布里渊散射功率满足[7]
式中,PB为自发布里渊散射光的功率,P为自发产生布里渊散射时探测脉冲光的峰值功率,S为背向捕获系数,αB为布里渊散射系数,W为光脉冲宽度,v为光在光纤中的速度。
BOTDR系统作为温度/应变传感的方式,有4个主要性能指标,分别是空间分辨率、测量精度、测量距离和测量时间。该4个指标相互制约,研究者们可根据需求平衡各个性能指标。通过巧妙地设计系统,优化系统链路中的每个环节,或采用有效的算法,可以打破性能指标的限制,获得更高性能的BOTDR系统。
3 国内外研究进展
1972年,Ippen等[8]首次观察到光纤中的布里渊散射效应,同年Smith[9]分析了光纤的有效面积、长度等因素对SBS阈值的影响,提出了SBS阈值的计算模型。到了1989年,日本的Horiguchi和英国的Culverhouse首次提出将布里渊散射效应用于分布式光纤传感。其中,Culverhouse等[10]证明了受激布里渊散射信号的频移和光纤温度的关系,提出基于布里渊散射的温度传感的可能性;Horiguchi等[11]则研究了布里渊频移和应变的关系,展示出了利用布里渊散射实现应变传感的潜力。次年,Horiguchi课题组[2]实现了基于受激布里渊散射的温度传感,开启了布里渊传感的序幕。直到1992年,基于自发布里渊散射的BOTDR传感机制被提出,其单端发射和接收的特性使之具有极大的应用前景[1]。
本节从基本结构、空间分辨率、测量距离和精度、测量时间、温度和应变交叉敏感问题5个角度分别讨论近三十年来国内外BOTDR系统的发展变化。
3.1 基本结构
BOTDR从基本结构上划分,可分为直接探测和外差探测。其中,外差检测又分为微波外差、本地光学外差和自外差几种。
直接探测的BOTDR结构如
图 2. BOTDR基本结构示意图。(a)直接检测;(b)本地外差检测;(c)微波外差检测;(d)自外差探测[16]
Fig. 2. Schematic diagram of BOTDR basic structure. (a) Direct detection; (b) local heterodyne detection; (c) microwave heterodyne detection; (d) self-heterodyne detection[16]
早在1992年,用于温度和应变传感的BOTDR系统提出之时,外差探测便是随之提出的布里渊频移探测方式[1]。参考光和散射光的光学外差,以及探测器输出电信号与电振荡器的微波外差被同时用于系统中。为了简化系统结构,参考光和探测光改由同一光源提供,并通过将光信号分成两路来实现,这便是常见的本地外差结构[7,17],如
值得注意的是,
此外,山东大学Chang等[21]于2008年提出了布里渊散射和瑞利散射自外差的BOTDR结构。该方案舍弃了参考光路,简化了光路结构。当探测脉冲在传感光纤中传播时,产生的瑞利散射光和斯托克斯光背向传输时被探测器接收。两者拍频,实现了外差探测。利用该方案,他们实现了13 km传感光纤上的布里渊功率的测量,证明了自外差探测的可行性。2017年,华北电力大学Li等[16]补充和完善了自外差BOTDR系统,真正实现了自外差的BOTDR温度传感,其结构示意图如
3.2 空间分辨率
BOTDR系统由于受光纤中声子寿命10 ns的限制,当探测脉冲宽度小于对应时间长度时,其布里渊散射将不能充分发生,背向传输的自发布里渊散射信号的频谱将会展宽,导致频移误差变大,从而影响测量精度。因此,一般的BOTDR系统空间分辨率限制在1 m左右。
1999年,Bao等[22]观察发现,采用小于声子寿命极限宽度的脉冲时,若脉冲宽度小到一定程度时,布里渊光谱带宽不会继续拓宽,反而会变窄。在布里渊传感中,一个完整的布里渊散射过程可以分为激发声子光栅、光波与声子光栅耦合两个进程。小于10 ns的短脉冲无法完成声子充分激发这一进程。于是人们得到启发,提出采用不同脉冲形式分别实现这两个进程的想法。21世纪以来,研究者们采用不同组合脉冲的方式来继续提高BOTDR的空间分辨率,如合成光谱、相移脉冲法、双脉冲探测光、差分脉冲对泵浦法等。组合脉冲通常由长脉冲和短脉冲组成。长脉冲在布里渊散射中主要起声子激发的作用,而短脉冲则与声子光栅耦合产生散射光,其主要作用是提高空间分辨率。组合脉冲的散射光光谱中同时含有对应长脉冲和短脉冲的信息,通过特别的测量和信号处理方式,可以还原出对应短脉冲的信息。另外,差分脉冲对泵浦法虽然不是由长脉冲和超短脉冲组合而成,但脉冲差分后的等效脉冲也可以理解为一段与长脉冲紧邻的短脉冲。除此之外,还有一种提高空间分辨率的思路,即改善信号处理的方法。基于能量密度分布的迭代细分法便是这样一种方法。
3.2.1 组合脉冲
2007年,日本Koyamada等[23]提出了双脉冲BOTDR,其脉冲示意图如
2014年,日本大阪大学Nishiguchi等[24]提出了合成光谱BOTDR,实现了10 cm的空间分辨率。探测脉冲由几组长短脉冲组成,其中一组脉冲的示意图如
2016年,日本芝浦工业大学Shibata等[25]提出了相移脉冲BOTDR。其探测脉冲共有两组,每一组由一段长脉冲和短脉冲构成,脉冲示意图如
差分脉冲对泵浦法(DPP)是布里渊传感中提高空间分辨率的一种有效方法。该方法是发射一对脉冲宽度有微小差异的脉冲,然后探测两个脉冲各自的布里渊光谱,经过特别的信号处理,可实现脉冲对差分后等效脉冲对应空间分辨率的测量,从而实现在km级别传感距离中cm级别空间分辨率的测量,其脉冲示意图如
图 3. 提高空间分辨率的方法。(a)双脉冲BOTDR[23];(b)合成光谱BOTDR[24];(c) 相移脉冲BOTDR[25]; (d)差分脉冲BOTDR[27];(e)迭代细分法
Fig. 3. Method for improving spatial resolution. (a) Double-pulse BOTDR[23]; (b) synthetic spectrum BOTDR[24]; (c) phase shift pulse BOTDR[25]; (d) differential pulse BOTDR[27]; (e) iterative subdivision method
3.2.2 信号处理方法
除了上述提高空间分辨率的方法,还有另外一种思路,就是改进信号处理方法。2013年,南京大学Wang等[29]提出了BOTDR的迭代细分信号处理方法。原理示意图如
总之,组合脉冲的方法在十几年前就已报道,有诸多不同的例子,近年来亦有新颖的方案被不断提出。该类方法需要复杂的脉冲组合,甚至需要分别测量多对脉冲的布里渊散射,同时还需要相应的信号处理,对实际应用不够友善。而基于迭代细分的方法,以及基于时频变换的方法在最近几年开始出现,其本质是信号处理方法,即把复杂度从系统结构转移到算法和数据处理层面。在如今硬件发达、软件算法研究火热的信息化时代,此类方法更具有吸引力和优势。目前关于该类提高空间分辨率的研究还较少,仍需要更多的挖掘。
3.3 测量距离和精度
在BOTDR系统中,增加入射光脉冲强度是提高测量距离的有效手段。然而,当入射脉冲光的功率过大时,受激布里渊散射和受激拉曼散射效应等非线性现象将会产生[32],导致脉冲光功率迅速下降,脉冲形状和光谱形状发生畸变,从而影响测量性能。反之,当脉冲光功率较小时,在光纤远端产生的布里渊散射光功率会淹没在噪声中,导致精度下降。因此,在传统BOTDR系统中,若要维持较高的空间分辨率,高精度测量和长距离传感将难以同时实现。
为此,人们不断地探索在不牺牲精度和空间分辨率的前提下提高测量距离,或在一定测量距离内继续提高精度的方法。信噪比提升的程度能够从另一角度反映改善的情况。研究较多的方向可分为以下几类:系统中相关部件性能的改善、拉曼放大、脉冲编码、信号处理算法。
3.3.1 部件性能的改善
对于典型的BOTDR系统,主要部件有光源、调制器、探测器、电域信号处理器件等。这些器件的关键参数和特征的改变,可以显著影响传感性能,其示意图如
如
BOTDR系统中对于光源的改善还可以使用多波长光源。2012年,南京大学Li等[36]首次在BOTDR系统中使用多波长光源。在他们的方案中,等波长间距的三波长光波被分成两路进入探测光路和参考光路中。在探测器处,对应波长的布里渊散射光和参考光拍频,得到几组叠加起来的电信号。相比使用传统单波长光源,该方案中的信噪比提高了4.2 dB。2017年,英国诺森比亚大学Lalam等[37]分析了利用多波长光源提高BOTDR测量准确率的原理。利用多波长技术,可使泵浦光功率利用率最大化而不产生受激布里渊散射效应。他们利用三波长光源实现了3.92 dB信噪比的提升。随后他们又结合了布里渊光纤激光器和无源扰偏器,在50 km传感范围内实现了5 m空间分辨率的测量。新系统与传统系统相比,信噪比提升了5.1 dB[38]。
在BOTDR系统中,调制器消光比的提高有助于提升信噪比。调制器对连续光调制可得脉冲光,然而在实际中,调制器并不是完全理想的,经调制后的脉冲光依然含有连续的底噪声。底噪声在光纤中传播同样会引起自发布里渊散射,而这部分散射光是传感系统不需要的,会引起精度的降低。脉冲光与底噪声单位时间内的功率比值被称为消光比。对此,人们研究了提高脉冲调制器消光比的方法,如
图 4. BOTDR系统的设备改进。(a)光源;(b)调制器[39-40];(c)移频器;(d)扰偏器[41];(e)探测器
Fig. 4. Device improvement of BOTDR system. (a) Optical source; (b) modulator[39-40]; (c) frequency shifter; (d) depolarizer[41]; (e) detector
此外,为了降低参考光和散射光拍频的频率,BOTDR系统还需要一个频移器,如
扰偏器是BOTDR系统中的常见器件,常放置在参考路中用于消除偏振噪声。在外差探测结构中,探测光往往经偏振控制器,调节至合适的偏振态,用于提高自发布里渊散射效率。当布里渊散射光和参考光进行外差探测时,若参考光与探测光偏振方向一致,则拍频信号强度达到最大;而若两者偏振方向正交时,偏振强度为零。所谓偏振噪声便是参考光中不同时间偏振方向不均匀导致的噪声,扰偏器便是实现偏振方向均匀的器件。在以前的系统中,多采用有源扰偏器,或使用偏振控制器交替产生正交偏振光[45],这些结构都需要复杂的设计,并且效率不高。2012年,南京大学Wang等[41]设计了基于MZI干涉结构的无源扰偏器,有效抑制了偏振噪声(96%),提高了精度,其结构如
对于探测器来说,高灵敏度的性能有助于提升BOTDR的信噪比,提高动态范围。具有高灵敏度的单光子探测器(SPD)在BOTDR系统中具有良好的性能改善效果,在系统中的运用如
3.3.2 拉曼放大
拉曼放大是一种引入受激拉曼散射补偿探测光和布里渊散射光传输损耗的方法。通过在传感光纤起始端或终端引入拉曼泵浦光,利用受激拉曼散射效应,把拉曼泵浦光的能量在线转移到探测光和布里渊散射光上,解决了探测光因光纤损耗在长距离传感中远端信噪比过低的问题。在拉曼放大引入BOTDR之前,在系统光路中通常使用一个或多个EDFA,来提高信噪比。EDFA作为单点放大的有源设备,若设置在传感光纤中段位置,将违背BOTDR单端设置的需求。与EDFA相比,拉曼放大过程发生在传感光纤之上,传感光纤作为传感介质的同时也作为拉曼放大的介质。
2003年,英国Newson团队[49]提出了脉冲拉曼放大的BOTDR温度传感系统。用与探测脉冲同向传播的1450 nm波长的拉曼泵浦脉冲,实现了50 km的温度传感,在50 km处温度测量精度为13 ℃。2005年,该团队改用连续拉曼泵浦光,基于自发布里渊散射进行温度传感实验,最后分别得到了拉曼泵浦光与探测脉冲同向和逆向两种情况的结果。在拉曼泵浦光与探测脉冲同向时,实现了100 km测量距离、20 m空间分辨率、精度0.8 ℃的传感;而在泵浦光与探测脉冲反向时实现了150 km、50 m空间分辨率、精度5.2 ℃的传感[50]。2006年,他们基于拉曼在线放大的BOTDR系统,实现了传感距离50 km、空间分辨率5 m的温度和应变同时测量,温度和应变分辨率分别为3.5 ℃和85 με[51]。2016年,浙江大学Song等[52]利用单向的拉曼放大实现了测量距离100 km的BOTDR,测量精度和空间分辨率分别为±3 ℃和40 m。
在拉曼放大辅助布里渊传感的研究中,虽然拉曼泵浦光与布里渊泵浦光反向时,系统噪声更少,但这违背了BOTDR单端布置的优势,所以在BOTDR中选择拉曼泵浦光与探测脉冲同向的方案更符合实际应用。拉曼放大BOTDR方案的示意图如
3.3.3 脉冲编码
脉冲编码是提高信噪比的一种有效方式。该方式是将单位光脉冲按一定码型调制,并经发送和接收后再用对应的解调算法还原出单位脉冲传感信息。在保持较高空间分辨率的同时,探测光的功率得以提高,进而提高了信噪比和传输距离。脉冲编码主要分为两种类型,一种为线性码型,比如Simplex码,另一种是相关码型,比如补偿Golay码。Simplex编码如
图 6. 脉冲编码。(a)线性组合码型;(b)相关码型
Fig. 6. Pulse coding. (a) Linear combination codes; (b) correlation codes
2008年,Soto等[53]分析了脉冲编码在布里渊传感中的作用,并将127 bit Simplex码型调制用于布里渊温度传感中,用布里渊散射光功率的变化来判断温度的变化,在30 km测量距离和42 m空间分辨率的系统中信噪比提高了7.1 dB;次年,他们把脉冲编码用于BOTDR温度和应变的同时测量中,提高了信噪比,在不需要太高光功率的情况下实现了较高性能的测量[54]。2012年,南京大学Fan等[55]用现场可编程门阵列(FPGA)优化了Simplex脉冲编码BOTDR的硬件结构和数据处理算法,使得脉冲编码的编码和解调不仅仅依赖于软件处理,在提高信噪比的同时,减少了测量时间。
2017年,华北电力大学Li等[56]理论分析并实验证明了Golay码编码脉冲对自外差BOTDR的性能提高,在9.3 km测量距离下信噪比提升了2.77 dB,测量误差从1.4 ℃降低到了0.5 ℃。同年,南京大学Wang等[57]结合FFT技术和补偿编码,实现了测量时间6 s、测量距离10 km、空间分辨率2 m、测量精度0.37 ℃/7.4 με的传感。
此外,南昌航空大学Wan等[58]分析了码型调制BOTDR传感系统中多路径干涉噪声的影响,并在考虑各种噪声影响的情况下,计算了使用雪崩二极管(APD)探测器的BOTDR系统的最佳调制码长。脉冲编码在BOTDR中受到了诸多研究人员的重视,其本质是用一段有规律的光信号代替了单位光脉冲,而光信号中则携带有可解调还原单位脉冲的信息。编码脉冲把光纤链路的复杂度转移到了编码和解调上,提高了信噪比。
3.3.4 信号处理算法
信号处理算法是BOTDR中的一个重要环节。算法的优化对传感的信噪比和测量精度有明显的提升作用,在最近几年中越来越受到重视。在这之中,布里渊传感中的曲线拟合算法是人们研究较多的方向。
2012年,南京大学Yao等[59]将一种称为Cohen's类的时频域信号处理方法用在BOTDR系统中。该方法曾在声音、雷达、地震探测等应用中使用。利用该方法,进一步提高了测量精度,最后实现的精度高于传统傅里叶变换方法和扫描方法3倍左右。2013年燕山大学Zhang等[60]提出了改进的莱文贝格-马夸特(LM)算法;2016年,他们提出基于自适应惯性权重和混沌优化的粒子群优化算法(AIW-CPSO),并与改进的LM算法、粒子群LM算法、粒子群优化算法进行比较,提高了温度测量的精度[61]。2016年,印度理工学院Pradhan等[62]提出傅里叶小波正则化反褶积(FourWaRD)算法,提高了动态范围和应变测量分辨率。2018年,中国科学院上海光学精密机械研究所和中国科学院大学的团队细致分析和讨论了布里渊频移方差和扫描步长、信噪比、布里渊线宽等各种因素的关系[63],与瑞士Thévenaz等[64]的实验结果、英国剑桥大学Yu等[65]的理论分析进行比较,提出了迭代二次拟合方法,用于提高布里渊频移的精度。同年,暨南大学Huang等[66]提出了自回归算法,在满足数据长度不太短和中等空间分辨率的条件下,精度高于传统FFT方法3倍。
3.4 测量时间
测量时间是BOTDR系统中一项重要的性能指标。不少的应用场景都需要进行高速测量。提高信噪比以减小平均次数是一种减小测量时间的方式,但这属于协调不同性能指标的结果。对于BOTDR系统,直接有效的方法是采用无扫描的测量方式。无扫描的测量方式具有实现秒级别测量时间的潜力,甚至能实现振动的测量。
最常见的无扫描测量方法是FFT算法。早在1997年,FFT技术便用于BOTDR中[67]。2007年,Geng等[43]结合BFL技术和FFT算法,在1 s测量时间内实现了12.5 km的BOTDR温度和应变传感测量。2009年,南京大学Lu等[68]结合离散傅里叶变换算法和宽带探测器,在6 km范围内实现了3 ℃温度分辨率和2 m空间分辨率,并且测量时间仅为传统方法的10%。2017年,他们又提出了FFT和补偿编码结合的BOTDR,实现了10 km测量距离下0.37 ℃/7.4 με的测量精度和2 m的空间分辨率,且只使用了6 s的测量时间[57]。此外,短时傅里叶变换(STFT)在BOTDR中的应用使得BOTDR不仅能够测量温度或应变,还能进行振动的测量。2014年,南京大学Tu等[69]用基于STFT的BOTDR系统,实现了270 m测量距离下4 m空间分辨率、45 με精度、16.7 Hz应变振动测量。2017年,剑桥大学Li等[70]基于STFT-BOTDR,并利用存在于BOTDR系统中轻微的SBS效应,降低了平均次数,在935 m光纤中实现了空间分辨率4 m的60 Hz振动测量。
此外,研究者还提出了不少减小信号测量时间和加快拟合速度的信号处理算法,如小波包去噪[71]、模式识别[72]等,以及提出了其他无扫描的BOTDR测量方式,如自延时外差BOTDR[73]、斜坡BOTDR[74]和MZI型直接探测方法[75]、双边缘探测方法[76]等。2018年,伊朗德黑兰大学Abbasnejad等[77]在BOTDR中使用了FPGA硬件结构,并提出了用于布里渊频移估计的移动平均和互相关算法。该方法与最先进的硬件和软件解决方案相比,估计过程的性能提升了95%。在以上提及的无扫描测量方式中,自延时外差和MZI型直接探测都使用了直接探测的基本结构,把布里渊频移变化转移到强度变化中,通过探测强度的变化,实现了快速测量。而斜坡BOTDR则是基于外差探测结构,在正式测量前设置参考光于布里渊光谱斜率最大点处。当传感光纤中某位置发生应变变化时,布里渊频移将转换为强度变化,从而实现快速测量。这也是一种将频移变化转移到强度变化的做法。可以看出,这些结构多基于频率-强度转移的思想,避开了频率扫描的方式。
3.5 温度和应变交叉敏感问题
与基于瑞利散射和拉曼散射的光纤传感系统相比,BOTDR系统具有可以同时测量温度和应变的优势。但是,从测量得到的数据中分辨出光纤中温度和应变的变化,实现同时测量,是BOTDR传感中的一大挑战。对于这一问题,研究者们给出了几种解决思路:双参量同时测量、混合拉曼/布里渊光时域反射仪、利用特殊光纤中多布里渊散射峰特性。
双参量同时测量是最常见的处理温度和应变交叉敏感问题的方法。通常测量布里渊频移和布里渊散射光功率变化量来还原得到温度和应变的变化[78]。此外,还可以利用布里渊频移和布里渊线宽来分辨温度和应变[79]。通过测量出布里渊频移和散射光功率变化量,并利用(3)式,可以分辨出温度和应变各自的变化。然而,由于实际制造的光纤特性(如损耗等)分布不均,并且受光纤熔接损耗和局部弯曲等额外因素的影响,实际测出的布里渊散射光功率变化不能直接反映温度和应变引起的变化,存在较大误差。于是,人们提出了朗道-普拉切克比(Landau-Placzek,LPR)方法。这是一种通过测量布里渊散射功率和瑞利散射功率来求取温度的方法[14,80]。其原理是不仅仅测量出布里渊散射光功率在光纤分布上的变化,还测量出瑞利散射光功率在光纤分布上的变化,然后用两者的比值进行归一化,从而消除额外因素的影响。所谓朗道-普拉切克比RLP表达式为
式中PR代表瑞利散射光功率,PB代表布里渊散射光功率,z为传感距离。
当测量瑞利散射光功率时,若使用窄带宽光源,相干瑞利噪声将会带来较大误差。因此,人们在采用LPR方法时,往往使用宽谱光源作为探测瑞利散射功率的光源。
第二种方法是混合拉曼/布里渊光时域反射仪传感。该方法同时利用了拉曼散射和布里渊散射。对于拉曼散射,反斯托克斯光的功率只对温度敏感,而布里渊散射则是同时对温度和应变敏感。在该方法中,通过测量拉曼散射反斯托克斯光功率的变化来计算传感光纤中温度的变化,在得到光纤温度的变化后,再用该结果补偿布里渊频移信息中温度变化引起的部分,从而得到光纤分布应变变化的信息。其原理示意图如
图 7. 混合拉曼/布里渊光时域反射仪示意图[81]
Fig. 7. Schematic diagram of hybrid Raman/Brillouin optical time domain reflectometer[81]
2005年,Newson课题组[82]首次提出这种方案,实现了23 km测量距离、10 m空间分辨率和6 ℃/150 με精度的传感系统。2009年,Bolognini等[81]基于混合拉曼/布里渊光时域反射仪结构,将多波长F-P腔激光器作为光源,与传统分布式反馈(DFB)光源相比,精度从20 ℃/470 με改善到1.2 ℃/100 με。同年,北京航空航天大学Xia等[83]基于混合拉曼/布里渊光时域反射仪结构,利用双通道F-P腔干涉仪直接探测的边缘技术探测布里渊散射光,并用拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光比值来获取温度的变化。他们的方法无需频率扫描,实现了测量速度的提高。
第三种方法则是利用特殊光纤的特性,比如大有效面积光纤(LEAF)[84-85]、少模光纤(FMF)[86-89]、光子晶体光纤[90-91]、掺杂光纤[92]等。在LEAF中,布里渊散射光谱往往存在多个布里渊峰,分别对应于不同的声学模式。每个峰都有对应的温度和应变变化系数。通过测量两个布里渊峰的光谱,并利用每个布里渊峰的频移对温度和应变的相关系数,可以计算得到应变和温度各自的变化。在少模光纤中,不同光模式都有各自对应的布里渊光谱,比如LP00和LP11,每一个模式的布里渊光谱对温度和应变的敏感特性都不一样。通过测量不同光学模式的布里渊频移,可以分辨出温度和应变的变化。此外,光子晶体光纤的布里渊多峰特征同样具备同时测量温度和应变的潜力。布里渊效应是光学模式和声学模式相互作用的结果,特殊光纤在这方面拥有更丰富的特性。
以上三种方法中,测量功率和频移的方法早已被提出,使用频次最高,但由于BOTDR系统本身自发布里渊散射光功率较低,信噪比低,因此实际对布里渊功率变化测量的准确率并不高。同时,系统还经常需要加入光开关和宽谱光源用以测量瑞利散射光功率,故难以实现单步测量。即使如此,该方法还是拥有原理简单、系统易搭建的优点,在过去得到了较多的研究,是目前应用化程度最高的方法。第二种方法结合了自发拉曼散射和自发布里渊散射的特性,并用波分复用器将两者区分,具有良好的分辨能力。然而,由于该系统需要设备较多,光路复杂,该方法还需要不断探索,开发出更高的性能。第三种方法无须考虑功率变化这一因素,拥有优异的分辨温度和应变的能力。近些年来,研究者们对不同特殊光纤的布里渊特性产生了浓厚的兴趣,开始纷纷挖掘特殊光纤的传感潜力。在未来,这一研究还会持续,但由于特殊光纤本身的昂贵,在长距离传感的应用中不会使用。在未来一段时间,特殊光纤BOTDR仍大概率停留在实验室中,或在某些特定领域如医疗、科学研究等,实现应用化。
4 应用场景
BOTDR系统作为一种以光纤为介质的传感方式,可以实现长达几十千米的温度和应变分布式传感。由于其单端特性,BOTDR可以方便地应用在各种场景中,比如民用基础设施结构安全监测和地理水文灾害预警等。
4.1 基础设施结构安全监测
在结构安全监测中,可具体分为隧道、管道、桥梁、路面、预制桩、矿区等场景。在这些场景中,BOTDR往往可用于结构变形的安全监控。
对于隧道场景,BOTDR传感监测有多种具体作用。2003年,南京大学Shi等[93]以海峡隧道的应变监测为目标,提出了BOTDR结构监测的初步应用方案,并用BOTDR系统对南京某隧道进行了应变监测,证明了方案的可行性。2010年,以色列理工学院Klar等[94]研究了用BOTDR监测和预防偷挖隧道走私的可行性,并围绕这个目标对光纤布置方式和数据处理等具体操作进行了研究。2014年,他们又进行了BOTDR系统监测隧道开挖时引起地面位移的研究,并以此辅助隧道设计和建造[95]。2015年,智利大学Moffat等[96]把BOTDR系统的光纤粘连在聚氯乙烯(PVC)管上,组成稳定的传感器,在实验室中模拟和监控矿井墙体的位移,并在实际的隧道矿井中用该系统进行应变监测。2015年,剑桥大学Gue等[97]在伦敦皇家邮政隧道的大型横轨平台施工期间,用BOTDR进行应变监测,并给出隧道监测规划和安装指导。
此外,管道或预制桩等大型管状物也是BOTDR常见应用场景。2008年,英国Strong等[98]研究了BOTDR用于全面管道线系统完整性的监测,并将系统运用在现场的试验中。2018年,Bai等[99]将BOTDR和相位OTDR结合的多参数测量系统用于煤层气管道的监测。其中,BOTDR用于管道形变和泄漏起火的监控。2012年,南京大学Lu等[100]通过开槽、埋入、粘贴、接合的方式,将BOTDR的传感光纤植入预制桩中,并现场测量了预制桩的内应力,其中包括了轴力、侧摩阻力、端承阻力和承载特性。2015年,同济大学Feng等[101]用BOTDR和光纤布拉格光栅(FBG)技术对近海地区的两根超长钢管桩进行了应变测量,确定了钢管桩的承载能力,并根据应变结果计算了桩身与土之间的位移和阻力。
对于桥梁、路面,2006年,Zhang等[102]分别用FBG和BOTDR对体外预应力加固修复的混凝土桥梁进行结构安全监测。通过对桥梁进行静态、动态载荷实验,预测了桥梁结构的极限状态。2008年,Matta等[103]用BOTDR测量连续板-梁钢桥上的钢梁的应变状态,并基于实验讨论了影响测量精度的要素。实现手段是将1.16 km的传感线布置在钢桥4个钢梁的腹板上。2013年,大连理工大学He等[104]将FBG和BOTDR传感光纤埋入拉索桥的铁索中,制成可监测应变的智能铁索,以监测和预防拉索桥中结构安全事故的发生。2011年,大连理工大学Liu等[105]结合了BOTDR和FBG技术,对多层路面结构进行安全监测。两者结合可以同时进行全局损伤测量和局部精密测量。他们讨论了传感光纤的封装、布置和应变传递问题,并在实验室进行了场景模拟和测试,证明了设想的可行性。
对于采矿区等高危地区,危机监测和预防系统更显重要。2011年,Nan等[106]在河北司家营铁矿区,用BOTDR系统对其中一块矿板进行了应变分布监测。测量结果显示,矿区顶板和地表位移较小,矿区稳定,可进行露天开采和后续回填开采。2015年,南京大学Cheng等[107]将BOTDR传感光纤垂直埋入煤矿矿区岩土中,对煤矿开采过程中覆岩变形进行现场监测,同时介绍了光缆的选择和布置方式。通过对采矿过程中应变分布随时间的变化,可得到覆岩的变形规律,从而预防安全事故。
4.2 地质灾害预警
对于地理水文地质灾害预警,BOTDR在土地沉降、斜坡监测、地面裂缝监控等应用场景也大有作为。
对于土地沉降问题,2015年,南京大学Wu等[108]利用BOTDR和FBG对地下水流出引起的地面沉降进行测量。通过将光缆垂直植入钻孔中,监测土壤层变形和孔隙水压力。方案的提出实现了复杂岩土材质变形的测量。2018年,南京大学Gu等人进行了BOTDR/FBG光纤传感技术结合微结构分析法测量土地沉降的研究[109]。他们用该方案对中国苏锡常地区的两个钻井进行监测。其中,BOTDR的测量结果显示两个钻井的年地面沉降分别为1.2 mm和2.9 mm。
在斜坡稳定性测量、滑坡灾害预测等问题中,BOTDR也可以发挥重要作用。2009年,南京大学Wang等[110]研究了BOTDR在土壤边坡监测上的应用。他们在实验室中模拟建造了小型土坡,并将BOTDR用于监测土坡变形,证明了BOTDR用于边坡稳定性监测的可行性。2010年,Yin等[111]在三峡水库巫山镇搬迁后滑坡的实时监测与预警工作中使用了BOTDR技术。2014年,Huntley等[112]将BOTDR技术用于加拿大不列颠哥伦比亚省的滑坡灾害预警。该技术的测量数据将与全球定位系统监视、现场测绘等测量方式进行对比与评估。2016年,Sun等[113]将BOTDR用于监测斜坡内部变形,确定潜在滑动面位置。他们用该技术进行了现场监测,测试结果与传统测斜仪有良好的一致性。
此外,BOTDR还可用于地面裂缝监控。2016年,Suo等[114]基于BOTDR的特点和地面裂缝监测现场的需求,设计了固定点光纤传感系统,并在实验室和现场进行了测试。结果显示,该技术不仅可进行裂缝宽度的监测,还可探测裂缝发展的趋势。
总之,大部分危机的监测都可以反映为温度和应变的变化,因此温度和应变传感在许多场景中都十分重要。除了以上提到的场景,在其他一些需要进行温度或应变测量的场景中,比如输电线的温度监测、土壤温度测量等,BOTDR也有应用的潜力。在应用案例中,BOTDR系统在某些场景中存在精度不够的问题,所以实际应用的传感系统中往往结合了FBG和BOTDR技术。在其中,BOTDR承担全局粗糙测量,而FBG承担重要位置的精密测量。因此,未来的重要挑战之一是在硬件软件上改进,提高现场测量精度,使BOTDR能够独立完成所有应变测量任务,从而简化系统布置。此外,从实验室到现场,还要考虑诸多布置和操作问题。在诸多例子中,往往需要对传感光纤进行再加工处理,制作成更符合现场环境的传感器。在某些重大项目的探测中,探测系统往往需要监测多个参数,而BOTDR传感只是整体系统中的一部分,负责应变、温度测量的任务。BOTDR配合其他系统工作,构成一个完整系统,也是工程上需要投入研究的问题。
5 结束语
布里渊光纤传感与基于瑞利散射和拉曼散射的光纤传感相比,诞生较晚,但因其潜力巨大,发展非常迅速。近些年来,经研究者们不断研究和发展,BOTDR在测量精度、空间分辨率和测量距离上获得了极大的提高。
BOTDR自90年代诞生以来,第一个十年主要是原理和系统的完善。至21世纪初,基本形成了以外差探测为典型的BOTDR系统结构,同时在一些通过探测布里渊功率实现温度测量的情境中也有使用直接探测法的情况。为了进一步提高BOTDR的性能,在第二个十年中,研究者们提出了不少新颖的方法。例如,为提高空间分辨率,科研工作者提出了不同的组合脉冲;为了提高信噪比和测量距离,引入了外注入泵浦光放大和脉冲编码。在这十年中,对BOTDR的应用化研究也在发展当中。在第三个十年中,BOTDR的研究开始趋于多角度化、细致化,内容也变得更加丰富。例如,探索了特殊光纤中BOTDR的特点,改善了BOTDR中各个环节和部件,提出了各种新颖的信号处理方法等。此外,对于BOTDR的应用化研究也越来越多。
总体而言,传统BOTDR传感系统在实验室中实现已无瓶颈,现场测试的案例也越来越多。然而,在具体的改进技术上,仍然有某些方向还未研究透彻。比如:引入拉曼放大是提高测量距离效果显著的方法,但若要在接近100 km的超长距离测量中保持较高精度和空间分辨率,还需要在多阶拉曼放大和信号处理方法方面继续研究。此外,对于温度和应变交叉敏感问题,虽然已经有几种解决方法,但其中的布里渊散射功率和频移同时测量的方法需要使用多步测量,操作复杂,需要在系统结构或硬件器件上做出改进;同时,特殊光纤BOTDR也是解决这一问题的有效方法,需要在未来进一步研究和发展。再者,基于BOTDR的高速测量甚至实时测量是重要需求也是挑战之一。傅里叶变换等信号处理算法的改进,基于直接探测的无扫描探测结构的创新,以及硬件层面的总体规划和改进都是解决该问题的途径。此外,从BOTDR应用案例中可以看出,BOTDR传感光纤通常不能直接放置于环境中使用,而要经过二次加工和布置适配场景才能进行测量。若要从简单的应变数据中,进一步得到具体的测量结果,还需要利用适配场景的信号处理方法进行处理。这些工程问题需要更多的应用实例和深入研究。为了进一步提高系统性能,或为了满足应用场景中多参数测量(振动、应变、温度等)的要求,未来的发展趋势将呈现出多平台交叉结合(如BOTDR和相位OTDR结合)、软件层信号处理算法改进,以及在一个方案中同时使用多种技术方法的特点。可以预想,BOTDR的研究将搭乘近些年人工智能的浪潮,更多地集中于信号处理算法的创新方面。一些在BOTDA上成熟的经验和方法,经改进将继续在BOTDR中发展。
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