1 引言

基于布里渊光时域分析(BOTDA)的光纤传感器能在几十千米光纤上提供高精度分布式温度和应力传感,在过去10年已引起了广泛的关注^[1-3]。BOTDA技术主要是基于受激布里渊散射(SBS)效应,由于光纤的布里渊频移(BFS)会随着温度和应力的改变而变化,所以通过监测光纤的BFS就能实现温度和应力的传感^[4-5]。传统的BOTDA技术为了监测BFS,必须对探测光进行扫频来获得相应的布里渊增益谱(BGS),然后根据BGS的增益最大点来确定光纤的BFS。由于扫频十分耗时(通常是几到十几分钟),因此传统的BOTDA只能用于准静态测量^[6-8]。如果BOTDA技术可实现快速测量,这对许多监测速度需要在秒量级或更短的应用场景来说将会有重大意义,比如地震活动探测或大型结构的实时健康监测^[9]等。为了缩短BOTDA的测量时间,一个最主要的方法就是避免对探测光扫频,实现光纤BFS的快速获取。

近年来,有很多针对传统BOTDA技术中扫频问题的改进方案被提了出来,如斜率辅助型BOTDA^[10-12]、基于多对探测光和抽运脉冲光的BOTDA^[13-14]等,而其中最有前景的是一种利用数字光频梳(DOFC)技术的免扫频BOTDA。DOFC是一种基于正交频分复用的多载波调制信号,在时域上它是一串连续传播的数据帧,而其频谱是由多个功率相等的频梳分量组成的。若把DOFC加载到探测光上,其与抽运光通过SBS效应而产生的变化就能被每个频梳分量所直接反映。这样一来,在接收端只要对探测光进行简单的频域变换就能直接恢复SBS效应后的BGS,实现光纤BFS的快速获取。基于DOFC的BOTDA的优越性已被一些报道所证实^[15-17],这使其有望成为快速测量的首选技术。不过,这类BOTDA和其他类型的BOTDA一样,为了获得高信噪比的BGS并提高BFS的监测精度,相应的传感系统会多次采集数据并作平均。但这平均过程却会额外增加传感系统的测量时间,因此想要进一步缩短基于DOFC的BOTDA的测量时间,在传感系统里就必须使用能提供更高精度的BFS的监测方法。

最近,有研究指出在BOTDA传感系统中,探测光信号的相位对于BFS的变化十分敏感,利用布里渊相位谱(BPS)可实现光纤BFS的高精度监测^[18-19]。针对以上现状,并结合BPS的优点,本文提出并设计了一个基于相干检测DOFC的快速BOTDA传感系统。利用相干检测DOFC,在不需扫频的情况下得到BGS和BPS;基于对BGS和BPS的联合检测,传感系统能快速获取光纤的高精度BFS而不需要任何数据平均,其测量时间可得到进一步缩短。由于BFS的监测不需要扫频和平均处理,传感系统的测量时间仅仅受限于光纤的长度。所提出的快速BOTDA传感系统在10 km光纤上可获得0.1 ms的响应时间,这表明该传感系统具备长距离快速测试的优势,可适用于一些大型结构的实时监测。

2 快速BOTDA传感系统的原理

基于相干检测DOFC的快速BOTDA传感系统的原理如图1所示,传感系统主要包括探测光端、抽运光端和接收端3部分。在探测光端,一个基带DOFC被用作探测信号并在Z=0的位置输入传感光纤,以便能在不扫频的情况下快速获得BGS和BPS以及光纤的BFS分布。为了产生DOFC,一串已被预处理的具有单位振幅的数据序列首先经过快速傅里叶逆变换(IFFT)变成一个数字电频梳(DEFC),然后输入一个任意波形发生器(AWG)中。利用AWG的其中一个通道把DEFC输出并通入一个电光调制器(EOM)里,对光载波进行强度调制后实现DEFC到DOFC的转换,从而得到所需的DOFC。所产生的DOFC的功率谱如图2所示,考虑到用于监测 BFS 的范围,DOFC的功率主要是分布在约为2 GHz的带宽内。为了保证传感系统的探测精度,DOFC的频率间隔(即传感系统探测点的间隔)被设定为2 MHz。

而在抽运光端,一个脉宽和周期分别是70 ns和125 μs的抽运脉冲是由AWG的另外一个通道产生,其中选择125 μs是考虑到光在10 km光纤来回往返一次所需时间为0.1 ms,这样可保证在单次传感测试中光纤里只有一个抽运脉冲。接着,抽运脉冲会通过一个电光调制器被调制到相应的光载波上,调制后的抽运光信号会在Z=L的位置输入传感光纤,以激发光纤里的SBS效应。对于普通的单模光纤,BFS的典型值大约是11 GHz。为了使抽运脉冲所产生的BFS能落在DOFC的2 GHz带宽范围内,其频率也被设定为11 GHz。此外,为了增强抽运脉冲所产生的SBS效应,以及消除由偏振噪声所带来的不利影响,在传感系统中抽运脉冲还使用了正交偏分复用技术(如图1所示)。关于抽运脉冲使用正交偏分复用技术可消除SBS效应中偏振噪声影响的原理,以及相应的实现过程,具体可参阅文献[ 20]。

图 1. 快速BOTDA传感系统的原理示意图

Fig. 1. Schematic of fast BOTDA sensing system

下载图片 查看所有图片

图 2. DOFC的功率谱

Fig. 2. Power spectrum of DOFC

下载图片 查看所有图片

在传感系统的接收端,DOFC信号与抽运脉冲发生SBS后,输入相干接收机里进行相干解调。在发射端DOFC具有以下形式:

E=∑k=1k=Nexpj(2πfkt+θk),(1)

式中:N为频梳分量的个数;f_k和θ_k分别为第k个频梳分量的频率和相位。在经过SBS效应后DOFC可表示为

E'=∑k=1Nexp[j(2πfkt+θk)]HSBS(fk),(2)

式中:H_SBS(f_k)为SBS作用的响应谱,其可表示为

HSBS(fk)=[1+g(fk)]expjφ(fk),(3)

其中g(f_k)和φ(f_k)分别为SBS的增益和相位响应。从(3)式可以看出,通过对DOFC进行相干解调并获取相应的H_SBS(f_k),就能实现BGS和BPS的重构。DOFC解调过程包括同步、快速傅里叶变换(FFT)、相位噪声补偿以及BGS和BPS检测4部分。通过同步就可以定位出每个DOFC数据帧的起始点位置,并把它们一一分离开来。而之后利用FFT对DOFC进行频域变换,在频域上对收发端的DOFC进行比较就可得到H_SBS(f_k),从而实现BGS和BPS的获取。在相干解调的过程中,存在相位噪声,会导致BPS出现额外的相移,因此在解调时必须对信号进行相位噪声补偿来消除这种相移,从而提高BPS用于监测BFS的精度。最后,经过对BGS和BPS的检测,就能获得沿光纤分布的BFS,从而完成快速BOTDA传感系统的传感过程。需要一提的是,由于BPS和BGS的获取都是基于DOFC的相干解调,而这两者的获取过程几乎是并行的,因此BGS和BPS的同时使用并不会增加传感系统的复杂度。

3 快速BOTDA传感系统的搭建

所搭建的快速BOTDA传感系统的结构框图如图3所示。一个线宽为100 kHz的可调谐激光器输出一束中心波长为1550 nm的激光,然后该激光被两个50∶50的光耦合器分成三束,分别用作本振光、探测光和抽运光。

3.1 探测光端的实现过程

在探测光端,AWG的通道1首先输出一个DEFC信号,接着该信号通过EOM2被加载到探测光上,由此产生所需的基带DOFC信号。在经过一个掺铒光纤放大器(EDFA3)后,DOFC信号的平均功率被放大到2 dBm,之后该信号输入传感光纤的头端。快速BOTDA传感系统所用的光纤由10 km标准单模光纤(SSMF)组成,DOFC信号和抽运脉冲将在其中通过SBS效应发生相互作用。通过这个过程,施加在光纤上的环境变量如温度和应力等信息就会被DOFC信号所收集,并映射到每个DOFC数据帧的强度和相位变化上。之后对DOFC信号进行相关的检测,就能获取相应的温度和应力信息,从而实现传感系统的传感过程。

3.2 抽运光端的实现过程

在抽运光端,一个经过预处理的抽运脉冲由AWG的通道2生成。接着,抽运脉冲和一个9.5 GHz的射频信号进行混频,由此产生11 GHz的抽运频率。为了滤除混频过程中所产生的干扰频率,系统用一个带通滤波器对混频器的输出进行滤波。随后,抽运脉冲会通过一个高消光比的EOM1被调制到抽运激光上,实验测得所用调制器的最大消光比超过30 dB。之后在调制器的输出端,抽运脉冲的低频边带被一个窄带宽光纤布拉格光栅所滤除。

图 3. 基于相干检测DOFC的快速BOTDA传感系统结构框图

Fig. 3. Structural diagram of fast BOTDA sensing system based on coherent detecting DOFC

下载图片 查看所有图片

为了降低偏振噪声对SBS效应的影响,传感系统对抽运脉冲使用了正交偏分复用技术:利用一个偏振分束器(PBS)先将抽运脉冲分成两束强度相同且具有正交偏振态的偏振光X和Y(在PBS前的偏振控制器是为了控制所输出的两束光强度相等);然后其中一束偏振光会先后经过一段14 m的光纤和另外一个偏振控制器,14 m光纤是为了产生70 ns的延时(相当于脉宽),而偏振控制器则是为了调整其偏振态以便后面的偏振合束。之后通过一个偏振合束器将两束正交偏振光又重新合束,到此就产生了具有正交偏分复用的抽运脉冲。

而后,为了获得更高的消光比和峰值功率,具有正交偏分复用的抽运脉冲被送入一个波形整形器里作进一步滤波。接着,该抽运脉冲被一个EDFA2所放大,放大后其平均功率约为1 dBm。之后这个具有高峰值功率的抽运脉冲会通过一个光环形器输入传感光纤,以激发光纤里的SBS效应。

3.3 接收端的处理过程

在传感系统的接收端,与强抽运脉冲发生SBS作用后,DOFC信号被传送到一个集成数字的相干接收机里,并与本振光拍频进行相干解调。而之后相干接收机的输出信号会直接被一个工作在40 GSa/s采样率下的实时示波器所采集。需要注意的是,为了便于示波器的数据采集,一个与抽运脉冲相同的电信号已被用于示波器进行触发采样。

由实时示波器所采集的数据会经过相应的数字信号处理(DSP)进行处理,即同步、快速傅里叶变换、相位噪声补偿以及BGS和BPS检测,以提取每个DOFC数据帧上的强度和相位信息。利用这些信息就能实现BGS和BPS的快速重构,获得相应的BFS分布,从而实现光纤温度或者应力的传感。

4 传感系统的实验验证

4.1 常态下对传感系统进行SBS效应测试

在快速BOTDA传感系统中,所用的10 km传感光纤实际上是两卷5 km的SSMF,这两卷SSMF具有相同的BFS分布,而且在常态下其BFS值大约是10.832 GHz。在没有施加任何外界因素的情况下,对整段传感光纤进行SBS效应测试,由光纤某一位置测量所得到的原始BGS和BPS如图4所示,其中红色曲线分别代表着经过洛伦兹拟合的BGS和经过线性拟合的BPS。从图4可以得出,光纤的BFS对应BGS中的增益最大点和BPS中的相位变化最大点;而且由于BPS在BFS附近的区域是准线性的,其对BFS的变化更加敏感,因此在传感系统中BPS被一并使用,以实现更高精度的BFS监测。

图 4. 在传感光纤某一位置测量所得的原始BGS和BPS。(a) BGS;(b) BPS

Fig. 4. Original BGS and BPS measured at a position of sensing fiber. (a) BGS; (b) BPS

下载图片 查看所有图片

4.2 传感系统关于分布式传感的特性

由传感系统测量所得的沿整段10 km光纤的BGS和BPS分布情况如图5所示,而通过对BGS和BPS联合检测可知,所得到的光纤BFS分布如图6所示。可以看到,传感系统的BGS、BPS,以及BFS在10 km光纤上都有一个相对均匀的分布,若在整段光纤的某一位置上发生了温度或者应力的改变,其都能对BGS、BPS和BFS产生相应的影响并被检测出来,这表明所提出的快速BOTDA传感系统具备长距离分布式传感的特性。而且,基于相干检测的DOFC,整段光纤的BFS分布可在不用扫频和不作平均处理的条件下获得,所以传感系统的响应时间仅仅取决于所用光纤的长度。由于所用的传感光纤长度为10 km,因此传感系统的响应时间就等于光波在光纤里来回往返一次所需时间,即为0.1 ms。

图 5. 沿10 km传感光纤的光谱分布。(a) BGS;(b) BPS

Fig. 5. Spectral distributions along 10 km sensing fiber. (a) BGS; (b) BPS

下载图片 查看所有图片

图 6. 传感系统测量所得的BFS分布

Fig. 6. BFS distribution measured by sensing system

下载图片 查看所有图片

4.3 传感系统关于温度、应力传感的测试

为了验证传感系统的性能,本研究对其分别开展了温度和应力的传感测试。在温度测试中,传感系统在10 km光纤的中间位置选取了一段约15 m的光纤,并用温控箱对其进行加热,加热范围从30~65 ℃,加热步长为5 ℃。温度测试的结果如图7(a)所示,通过对数据进行线性拟合,可得出传感系统关于温度测量的最大偏差约为0.3 ℃,而所用光纤的温度系数为0.8 ℃/MHz(拟合时拟合系数R²=0.9998)。而对于应力测试,传感系统在10 km光纤的中间位置选取了另外一段光纤(长度与温度测试 时选取的长度相同),并将其一端先固定在实验平台上,然后利用一个光学位移平台把该段光纤的另一端夹住,通过移动光学平台来对光纤逐渐施加应力。在测试中应力的变化范围是0~900 με,应力增加的步长为100 με。图7(b)表示了应力测试的结果,通过进行线性拟合,可以得出如下结果:传感系统关于应力测试的最大偏差小于10 με,而所用光纤的应力系数为22.14 με/MHz(拟合时拟合系数R²=0.9996)。从图7可以看出,BFS随温度/应力的改变呈线性变化,这与它们之间的关系^[21]

δvB=CTδT+Cεδε,(4)

相符。式中:C_T和C_ε表示光纤的温度/应力系数;δv_B、δT和δε分别表示BFS、温度/应力的变化。结合温度/应力系数、DOFC的2 MHz频率间隔,传感系统关于温度和应力的探测精度分别是1.6 ℃和44 με,这表明本文传感系统能够实现精度较高的温度和应力传感。

另外,传感系统还对整段10 km光纤的前、中、后三个不同位置分别进行加热(加热温度均为60 ℃),以检验其关于长距离、分布式传感的特性,测试结果如图8所示。从图8可以看出,传感系统对10 km光纤的不同位置进行相同温度的加热,所得到的BFS变化是一样的,这说明本研究的快速BOTDA传感系统能被用于长距离、分布式的传感应用中。

图 7. 测量结果。(a )温度;(b)应力

Fig. 7. Measurement results. (a) Temperature; (b) strain

下载图片 查看所有图片

图 8. 加热10 km光纤不同部位时的光谱图。(a)前端;(b)中间;(c)后端

Fig. 8. Spectra obtained when heating different positions of 10 km fiber. (a) Front-end; (b) middle-part; (c) back-end

下载图片 查看所有图片

5 结论

提出并设计了一个基于相干检测DOFC的快速BOTDA传感系统。针对传统BOTDA技术的扫频问题,该传感系统利用了DOFC以及相干解调的BGS和BPS,在不作任何扫频和平均处理的情况下快速获得了整段传感光纤的BFS分布,极大地缩短了BOTDA传感系统的测量时间。利用相关的实验验证了传感系统在10 km光纤上响应时间为0.1 ms、温度/应力的探测精度为1.6 ℃/44 με,并指明传感系统能被用于长距离分布式的传感应用中。同时,由于具备快速响应的特性,本研究所提出的基于相干检测DOFC的快速BOTDA传感系统可适用于一些大型结构的实时健康监测,其在很多测量速度要求较高的传感应用中将具有很大的潜力。对此,在未来的工作里,所提出的快速BOTDA传感系统将会被用于实现一些快速变化参量的传感(比如测量一定频率的振动),其目的是以具体的实验测试结果来进一步证实BOTDA传感系统的快速响应特性。