用于动态应变测量的快速分布式布里渊光纤传感

周登望; 王本章; 巴德欣; 徐金龙; 徐鹏柏; 姜桃飞; 张东昱; 李惠; 董永康

doi:doi:10.3788/AOS201838.0328005

光学学报, 2018, 38 (3): 0328005, 网络出版: 2018-03-20

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Fast Distributed Brillouin Optical Fiber Sensing for Dynamic Strain Measurement

论文大纲

周登望 ¹王本章 ¹巴德欣 ¹徐金龙 ²徐鹏柏 ¹姜桃飞 ¹张东昱 ²李惠 ²董永康 ^1,*

作者单位

¹ 哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家重点实验室, 黑龙江哈尔滨 150001

² 哈尔滨工业大学土木工程学院, 黑龙江哈尔滨 150001

传感器非线性光纤光学受激布里渊散射振动分析 sensors nonlinear fiber optics stimulated Brillouin scattering vibration analysis

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摘要

近些年,分布式布里渊光纤传感因具有分布式应变和温度的测量能力, 以及在结构健康监测领域的重要应用而受到广泛的研究。在多种传感方案中, 布里渊光时域分析(BOTDA)技术具有信噪比好、空间分辨率高、传感距离远等优点, 受到广泛关注。传统的BOTDA系统平均和扫频过程比较费时, 只适宜进行静态或缓慢的应变测量。通过分析BOTDA系统的分布式传感原理, 总结了限制其快速分布式传感测量的主要因素。针对这些限制因素, 综述了近期快速BOTDA系统取得的一系列的进展, 主要包括基于偏振补偿技术的快速BOTDA系统、基于光学捷变频技术的快速BOTDA系统、基于斜坡法的快速BOTDA系统、基于光学啁啾链的快速BOTDA系统、基于光学频率梳技术的快速BOTDA系统, 指出通过单一或者多个新技术组合而成的快速BOTDA系统具有更好的性能和更广阔的应用前景。

Abstract

Recently, distributed Brillouin optical fiber sensors have been extensively studied and discussed for the capacity to measure distributed strain and temperature, as well as important applications in the field of structural health monitoring. In several optical fiber sensing schemes, Brillouin optical time domain analysis (BOTDA) is widely concerned due to its good signal-to-noise ratio, high spatial resolution, and long-range sensing distance. However, due to the time-consuming averaging and frequency-sweeping processes, the classical BOTDA systems are suitable for static or slow-varying strain measurements. In this paper, we analyze the operation principle of BOTDA system and discuss some main factors for limiting fast measurement. Then, we summarize and analyze the dynamic measurement methods based on fast BOTDA, which are polarization compensation technique, frequency-agile technique, slope-assisted method, optical chirp chain technique, optical frequency comb technique. It is pointed out that the fast BOTDA system consisted of a single or multiple new techniques, has a better performance and a wider application prospect.

1 引言

自20世纪60年代以来,伴随着激光器和光纤的发明及应用,光纤传感技术也快速发展起来。目前,光纤传感技术已广泛应用于土木结构健康监测、现代工业控制及**安全等诸多领域。与传统电阻式、电容式等电子传感技术相比,光纤传感技术具有很明显的优势:1)光纤既是损耗很小的传光介质,又是灵敏的传感器件,可以认为是由成千上万个传感单元串联而成,因此能够进行长距离和分布式的传感测量;2)光纤易于接入全光网络,而且质量轻、体积小、便于布设;3)光纤具有抗电磁干扰、耐腐蚀的特性,能够在恶劣的环境下测量;4)光纤传感器具有分辨率高、灵敏度高、测量范围宽等优点^[1]。由于光纤传感器具有以上优点,因此在现代化的工程项目中,都离不开各式各样的光纤传感器。值得注意的是,在现代工业及基础设施的结构健康监测中,急需一种可以实时监测应变或温度信息的分布式超快测量技术,因而光纤传感器可以应用于此。

自20世纪90年代以来,基于布里渊散射的分布式光纤传感器被广泛报道^[2-5]。通常地,两束光波(抽运光和探测光)相向注入待测光纤(FUT),当两束光波的频率失谐量接近FUT的布里渊频移(BFS)时,由于受激布里渊散射(SBS)效应^[6],光能量从高频光波转移到低频光波。布里渊增益谱(BGS)可以通过扫频获得,再通过洛伦兹曲线或高斯曲线拟合获得光纤的BFS。值得注意的是,由于BFS和光纤的应变及温度呈线性关系^{[2, 4,7-8]},因此可以通过解调BFS来计算出对应的应变或温度。

基于布里渊散射的光纤传感方案主要包括:布里渊光时域分析(BOTDA)技术^[9-14]、布里渊光时域反射(BOTDR)技术^[15-17]、布里渊光相关域分析(BOCDA)技术^{[5, 7, 18-22]}、布里渊光相关域反射(BOCDR)技术^{[5, 23-25]}、布里渊光频域分析(BOFDA)技术^[26-27]和布里渊光频域反射(BOFDR)技术^[28]。采用反射技术的光纤传感方案,其布里渊信号较弱,信噪比(SNR)差;采用光相关域技术的光纤传感方案,通常采用点式传感,需要通过扫描相关峰(传感点)的位置^{[5, 23, 25]}才能获得分布式的应变或温度测量,这样会极大地限制动态应变的采样率;采用光频域技术的光纤传感方案,光波调制及解调算法较复杂。

本文主要针对传统的BOTDA系统测量时间较长,仅适用于静态或缓慢变化应变测量的局限,从理论上分析BOTDA系统,并综述近些年BOTDA系统在快速分布式应变测量方面的进展。

2 基本原理

2.1 受激布里渊散射

光束通过某一介质,当传输介质光学特性不均匀时,就会产生光散射现象^[6]。当入射光功率超过受激布里渊散射阈值时,入射光能量就会大量转移给后向传播的散射光(斯托克斯光),由于存在多普勒效应,斯托克斯光有一个BFS。对于普通的单模光纤,BFS^{[10, 29-30]}的公式为

\begin{matrix} ν_{B} = \frac{Ω_{B}}{2 π} = \frac{2 n_{eff} V_{A}}{λ_{p}}, (1) \end{matrix}

式中n_eff为光纤纤芯有效折射率;V_A为声波在光纤中的传播速度;λ_p为抽运光波长。值得注意的是,FUT的BFS与光纤轴向应变的改变量和温度的改变量呈现出良好的线性关系^[31],其表达式为

\begin{matrix} ν_{B} = C_{B}^{ε} Δε + C_{B}^{T} ΔT + ν_{B 0}, (2) \end{matrix}

式中 $\begin{matrix} {C^{ε}}_{B} \end{matrix}$ 为应变系数;Δε为应变的改变量; $\begin{matrix} {C^{T}}_{B} \end{matrix}$ 为温度系数;ΔT为温度的改变量;ν_B0为初始光纤BFS。在单一变量的情况下,通过测量光纤的BFS,利用(2)式可以计算出对应的应变的改变量和温度的改变量。

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1 引言

2 基本原理

2.1 受激布里渊散射

2.2 BOTDA系统的物理模型

图 1. 传统的BOTDA系统原理示意图。 (a)时域关系; (b)频域关系

Fig. 1. Schematic of classical BOTDA system. (a) Time-domain relationship; (b) frequency-domain relationship

2.3 动态分布式应变测量的限制因素

3 用于动态应变测量的快速BOTDA的分类

3.1 基于偏振补偿技术的快速BOTDA系统

图 2. 基于平衡探测和偏振消除的BOTDA系统的实验装置

Fig. 2. Experimental setup of BOTDA system with balanced detection and polarization noise elimination

图 3. 基于平衡探测和偏振消除的BOTDA系统的实验结果。 (a)单探测器获得的布里渊增益信号(蓝色)、单探测器获得的布里渊衰减信号(红色)、平衡探测器获得的合成布里渊信号(绿色); (b) 25 km处三种信号的局部放大图

图 4. 基于偏振补偿的应变快速采集测量实验结果

Fig. 4. Experimental results of fast-acquisition measurement of the strain based on polarization compensation

3.2 基于光学捷变频技术的快速BOTDA系统

图 5. 基于FAT的快速BOTDA系统原理示意图。 (a)探测光经过FAT调制; (b)抽运脉冲光经过FAT调制

Fig. 5. Schematic of fast BOTDA system based on FAT. (a) Probe wave modulated by FAT; (b) pump pulse modulated by FAT

图 6. 二阶边带调制

Fig. 6. Second-order sideband modulation

图 7. 振动信号的测量。 (a)测量所得光纤振动截面BGS随时间的演进图; (b)应变的振动波形; (c)应变的振动波形功率谱

Fig. 7. Measurements of the vibration signals. (a) Evolution of the measured BGS of the vibrated section of fiber; (b) vibration waveforms of the strain; (c) power spectra of the vibration waveforms of the strain

图 8. 基于双调制方案的捷变频技术示意图

Fig. 8. Schematic of the frequency-agile technique based on dual-modulation scheme

3.3 基于斜坡法的快速BOTDA系统

图 9. SA-BOTDA系统原理示意图。 (a)斜坡法操作原理; (b)斜坡法和曲线拟合法应变振动波形测量的比较; (c)不同振动频率下谱域中的动态应变

Fig. 9. Schematic of SA-BOTDA system. (a) Operation principle of slope-assisted method; (b) comparison of strain vibration waveforms measured by slope-assisted method and curve fitting method; (c) dynamic strain in the spectral domain for different vibration frequencies

图 10. 多斜坡F-BOTDA系统原理示意图。 (a)多斜坡F-BOTDA的抽运光和探测光的频域关系,以及测量范围扩展的基本思路; (b)多斜坡F-BOTDA的抽运光和探测光的时域关系

Fig. 10. Schematic of multi-slope-assisted F-BOTDA system. (a) Frequency-domain relationship of pump and probe waves of multi-slope-assisted F-BOTDA, and basic idea of the extension of measurement range; (b) time-domain relationship of pump and probe waves of multi-slope-assisted F-BOTDA

图 11. 多斜坡法(蓝色实线)和传统曲线拟合法(红色虚线)所得BFS应变振动波形的实验测量结果,分别对应不同的扫频间隔。 (a) 20 MHz; (b) 40 MHz; (c) 60 MHz; (d) 80 MHz

Fig. 11. Experimental measurement results of BFS strain vibration waveforms obtained via multi-slope-assisted method (blue solid curve) and traditional curve-fitting method (red dotted curve) in varios frequency-intervals. (a) 20, (b) 40, (c) 60, and (d) 80 MHz

图 12. ΔνB=30 MHz时的归一化谱仿真图,抽运脉冲光脉宽从1 ns到连续光。 (a)归一化的BGS; (b)归一化的BPSS; (c)归一化的KS

Fig. 12. Simulation diagram of normalized spectra with the pump pulse width from 1 ns to continuous wave (ΔνB=30 MHz). (a) normalized BGS; (b) normalized BPSS; (c) normalized KS

图 13. 多频率方案抽运光和探测光的时域关系

Fig. 13. Time-domain relationship of pump wave and probe wave for multi-slope-assisted method

3.4 基于光学啁啾链技术的快速BOTDA系统

图 15. OCC-BOTDA系统原理示意图。 (a)时域关系; (b)频域关系

Fig. 15. Schematic of OCC-BOTDA system. (a) Time-domain relationship; (b) frequency-domain relationship

图 16. OCC-BOTDA系统对BGS的测量。 (a)单发抽运脉冲光即可测量分布式的BGS; (b)不同应变的改变量时的BGS

Fig. 16. Measurement of BGS via OCC-BOTDA system. (a) Distributed BGS measured by single shot of pump pulse wave; (b) various BGS for different strain changes

图 17. OCC-BOTDA系统对机械撞击的实验测量结果。(a)经过二次互相关算法处理后的BGS演进图; (b)解调出的应变振动波形

Fig. 17. Experimental results of mechanical shocks via OCC-BOTDA system. (a) Evolution of BGS processed by twice correlation algorithm; (b) demodulated strain vibration waveforms

图 18. OCC-BOTDA系统对快速开关事件的实验测量结果:算法处理后的BGS演进图。 (a)平均200次; (b)未加平均; (c)解调出的BFS的改变量与时间的关系

Fig. 18. Experimental results of the switch event via OCC-BOTDA system: evolution of BGS processed by twice correlation algorithm for various conditions. (a) 200 times averaging; (b) no averaging; (c) demodulated BFS changes over time

3.5 基于光学频率梳的动态布里渊光纤传感系统

图 19. SF-BOTDA系统的演变与原理示意图。 (a)基于光学频率梳的BOTDA系统;(b)SF-BOTDA系统

Fig. 19. Schematic of SF-BOTDA system. (a) BOTDA system based on optical frequency comb; (b) SF-BOTDA system

图 20. 单发BOTDA系统原理示意图。 (a)频域中的OFDM信号的子载波; (b)双偏振双边带OFDM探测光;(c)抽运光和探测光的相互作用及布里渊谱型解调过程;(d)SBS过程中,BGS和BLS的示意图

Fig. 20. Schematic of single-shot BOTDA system. (a) Subcarriers of OFDM signal in frequency domain; (b) dual-polarized double-sideband OFDM probe; (c) pump and probe interaction and Brillouin spectrum extraction; (d) BGS and BLS after SBS process

图 21. 根据静态温度的测量实验结果重构的布里渊谱。 (a)x偏振态; (b)y偏振态; (c)双偏振相结合的情况; (d)在(c)中A、B、C三点的测量数据及其洛伦兹拟合曲线

Fig. 21. Reconstructed Brillouin spectrograms based on the measurement experimental results of static temperature. (a) x-polarization; (b) y-polarization; (c) combined dual-polarization; (d) measured data and Lorentzian fitting curves of marker A, B, C in (c)

4 结论

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