基于斜坡辅助技术实现高速动态应变传感

01 导读

光纤布里渊分布式传感技术利用光纤中布里渊散射光频率对于温度和应变的依赖，可以实现温度和应变的分布式传感，常常用于大型基础设施的健康监测。但是扫频等费时的采样过程限制了系统采样频率，使得系统难以满足动态参数测量的需求。

斜坡辅助技术利用布里渊散射谱斜坡的近似线性区域，使得接收信号的功率随着布里渊频移的改变而产生线性的变化，可实现高速动态应变传感。然而，普通单模光纤的布里渊散射谱线宽通常为40MHz左右，对应能测得的应变小于1000µε。针对此问题，广西师范大学胡君辉教授团队提出一种基于渐变折射率多模光纤的大动态应变SA-BOTDR传感系统，该系统使用渐变折射率多模光纤作为传感光纤，利用单模光纤与多模光纤错位熔接的方法使得光纤中自发布里渊散射谱展宽，使其具有更宽的近似线性区域，并利用单斜坡辅助技术在1km的传感光纤上实现最大应变为3000µε的大动态应变测量。相关成果以“Large dynamic strain range slope-assisted Brillouin optical time domain reflectometry based on graded-index multi-mode fiber”为题发表在Optics Express期刊上。广西师范大学硕士研究生刘戈和陆杭林博士为论文共同第一作者，胡君辉教授和阳丽教授为共同通讯作者。

02 研究背景

在传统的布里渊时域传感系统中，一般通过扫描向后散射光与参考光（BOTDR）或者泵浦光和探测光（BOTDA）之间的频率差来获取完整的布里渊增益/损耗谱，再通过洛伦兹拟合获取布里渊频移（BFS），最终得到温度或者应变信息，整个过程十分耗时，限制了基于布里渊传感系统的采样率。斜坡辅助技术利用布里渊谱边带的近似线性区域，将布里渊频移的变化转化为接收信号的功率变化。该过程无需扫描整个布里渊谱，只需要将工作频率设置在近似线性区域的中点处，通过增益和布里渊频移的线性对应关系即可获得温度或者应变信息，该技术避免了扫频过程，能显著提高系统的采样率，非常适合用于测量动态参量。然而，布里渊增益谱近似线性区的宽度限制了系统测量的应变范围。在基于普通单模光纤的布里渊传感系统中，由于单模光纤的布里渊谱线宽约为40MHz，对应的应变测量范围小于1000µε，无法用于大动态应变传感。最近，一些研究者也提出了一些测量大动态应变的传感方案，例如多斜坡辅助、布里渊增益相位比等技术，然而这些方案也相应地增加了系统地复杂程度。本文研究了渐变折射率多模光纤中的布里渊谱展宽现象，利用展宽的布里渊谱实现了最大应变为3000µε的动态应变测量。

03 创新研究

3.1 渐变折射率多模光纤布里渊谱展宽研究

本工作首先对错位熔接导致的多模光纤布里渊谱展宽进行了研究。当单模光纤和多模光纤对芯熔接时，多模光纤中只有角阶数为0的光学模式和声学模式被激发（LP01，LP02，…；A01， A02，…），如图1（a， b）所示，由于不同声学模式导致的布里渊频移和增益不同，最终得到的布里渊谱是所有布里渊谱的叠加。但由于A01模式的耦合效率最高，最终的布里渊谱也只是比A01所激发的布里渊谱略微展宽，如图1（c）所示。通过错位熔接，多模光纤中各个模式的耦合效率随着错位熔接偏移量的变化如图2所示，可以看到随着偏移量的增加，更多角阶数不为0的光学模式被激发，对应可以激发更高阶的声学模式，并且LP01模式的耦合效率逐渐下降，模式分配更加均衡，可以使得最终的布里渊谱进一步展宽。

图1 对芯熔接下光学模式 （a） 和声学模式 （b） 的耦合效率; （c） 所对应的布里渊增益谱。

图2 光学模式耦合效率随熔接偏移量增加的变化。

通过图3所示的传统BOTDR系统研究了单模光纤与多模光纤不同偏移量对布里渊谱的影响，实验测量的结果与仿真结果的比较如图4所示。图4（a），（b）和（c）分别展示了单模光纤与多模光纤偏移量为0µm， 5µm，8µm下的布里渊谱，可以看出仿真和实验结果基本吻合。此外，本工作还研究了模式混合对布里渊谱的影响，采集了在光纤前面增加弯曲和应变影响下的布里渊谱，并与未增加弯曲和应变的布里渊谱相比较，如图4（c）所示，弯曲和应变造成的模式混合对布里渊谱的轮廓有轻微的影响，但是影响结果在可以接受的范围内。

图3 BOTDR系统实验原理。

图4 单模光纤与多模光纤不同熔接偏移量下输出的布里渊谱： （a）0µm; （b）5µm; （c） 8µm; （d）偏移量为8µm时通过滤波器后信号强度与工作频率之间的关系。

3.2 大动态应变测量实验

为了采集动态应变数据，采用一个高速示波器作为数据采集装置，并且为了使示波器只采集信号的所需频率部分，在光电探测器的后端加上了一个中心频率为220MHz， 带宽为80MHz的电学滤波器，图4（d）展示了示波器接收的信号强度随着工作频率的变化，可以看出布里渊谱得到进一步展宽，带宽约为200MHz，并且在右端有一个约160MHz的近似线性区域。利用一个快速轴向伸缩装置对距光纤末端20m处施加轴向应变，应变施加区域光纤长度为10m。图5（a）和（b）分别展示了在不同振动频率下信号强度随时间的变化，振动频率已事先标定。图5（c）展示了应变和信号强度间的对应关系，可以看出在振动频率为7.83Hz时，信号强度和应变的对应关系为0.00296 mV/µε，而当振动频率为15.47Hz时为0.00292 mV/µε。

图5 应变区域内信号强度的变化（a） 7.83Hz; （b） 15.47Hz; （c） 信号强度与应变之间的线性关系。

为了测量测得的振动频率与标定频率之间的误差，对图5（a）和（b）的数据进行傅里叶变换，结果如图6所示。可以看出在标定振动频率为7.83Hz时测得的振动频率为8Hz，误差为0.17Hz。标定频率为15.47Hz时，应变在1500-2500µε情况下测得的振动频率为16Hz，在3000µε情况下为14Hz，误差分别为0.53Hz和1.47Hz。上述实验证明该方案可以实现最大应变为3000µε的动态应变测量，并且具有良好的线性度。

图6 测得的振动频率（a） 7.83Hz; （b） 15.47Hz.

04 应用与展望

本团队提出了一种基于渐变折射率多模光纤的大动态应变传感方案，在单斜坡辅助方法下可以测得最大3000µε的动态应变。与其它实现大动态应变的测量方案相比，只需要在BOTDR系统中对单模光纤和多模光纤错位熔接和增加一个电学滤波器，显著的降低了系统的复杂度和成本。该方案展现了其在测量大动态应变工程中的应用潜力，并为大动态应变测量提供了一种新思路。

审核编辑：郭婷