混沌激光布里渊散射的分布式光纤温度传感

马 喆，张明江，刘 慧，刘 毅，王云才

1)新型传感器与智能控制教育部重点实验室，太原030024;2)太原理工大学物理与光电工程学院，光电工程研究所，太原030024

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术［1-4］已被广泛用于各类材料和结构的应变或温度分布式传感测量.目前主要采用基于脉冲的时域技术［5-9］和基于连续波的相关域技术［10-14］.标准时域技术包括布里渊光时域反射计(Brillouin optical time domain reflectometry，BOTDR)［5］和布里渊光时域分析(Brillouin optical time domain analysis，BOTDA)［9］，均具有长距离测量的优势，但空间分辨率(＞1 m)限制其在一些特殊结构中的监测，如飞机机翼、火箭和风力涡轮叶片等［11］.传统的相关域布里渊传感技术包括布里渊光相关域反射计(Brillouin optical correlation domain reflectometry，BOCDR)［12］和布里渊光相关域分析(Brillouin optical correlation domain analysis，BOCDA)［13］，可实现厘米或毫米量级的高空间分辨率，但由于激光器的调制频率问题使得测量距离受限于相邻相关峰，测量距离只有数十米或数百米［14］.

为解决布里渊分布式光纤传感技术在空间分辨率与传感距离方面难以同时兼顾的问题，研究者先后提出以下改进方法:基于双脉冲布里渊光时域反射计(double-pulse BOTDR)系统，实现20 cm的空间分辨率和1 km的传感距离［15］;采用基于差分脉冲对的布里渊光时域分析(differential-pulse pair BOTDA)技术，在1 km的传感光纤上实现了15 cm的空间分辨率［16］;通过优化差分脉冲对技术在2 km的传感光纤上实现了2 cm的空间分辨率［17］.利用布里渊回声实现了5 cm的空间分辨率和5 km的传感距离［18］.此外，基于BOCDR的时间控制方案被提出，获得66 cm的空间分辨率和1 km的测量范围［19］;采用双频率调制技术成功获得10 cm的空间分辨率和34 m测量范围［14］;利用光纤放大器的放大自发辐射噪声调制的BOCDA系统，在2 m的传感测量距离上获得了4 mm的空间分辨率［20］.另外，基于相位编码的BOCDA系统，实现了14 mm的空间分辨率和17.5 km的传感距离［21］;基于振幅和相位的双层编码技术获得了2 cm的空间分辨率和2.2 km的传感距离［22］.但上述改进技术仍需脉冲信号发生器或高频信号微波源等仪器.由于混沌激光具有相干长度短且可调谐的特性，可发展一种基于混沌激光的布里渊散射分布式光纤传感技术.

为此，本研究提出并实验验证了基于混沌激光布里渊散射的分布式温度传感测量方法.从混沌激光的注入光功率和光路偏振态对混沌激光布里渊散射光进行研究，通过测量固定点在不同温度条件下的布里渊频移量获得该系统的温度系数，进而对待测光纤不同位置的温度进行分布式测量，实现分布式温度传感测量.

1 实验装置及工作原理

图1为混沌激光布里渊散射的温度传感实验装置.虚线框所示为混沌激光源，激光源输出的激光通过电光调制器(electro-optic modulator，EOM)被混沌信号发生器产生的混沌信号调制，进而产生混沌激光.该混沌激光经高功率掺铒光纤放大器(erbium-doped optical fiber amplifier，EDFA)进行放大，然后被1/99光耦合器分成两路光.一路(1%)作为混沌参考光，参考光路光程长度用Lref来表示.通过使用不同长度的延迟光纤选择探测位置范围，再结合可调光延迟线(general photonics，型号为 MDL-002)对待测光纤(fiber under test，FUT)中的探测位置进行精确扫描定位.另一路(99%)作为混沌泵浦光注入FUT中，LX为光环形器到探测位置的光纤长度.当混沌泵浦光入射到待测光纤中，光纤中的声频声子与入射的混沌泵浦光相互作用，产生后向布里渊散射，称为混沌斯托克斯光.拍频谱被定义为布里渊增益谱(Brillouin gain spectrum，BGS)，具有洛伦兹函数形状［23］.当波长为1 550 nm激光注入普通单模光纤时，后向布里渊散射光相对于入射光会产生11 GHz左右的频率下移，称作布里渊频移(Brillouin frequency shift，BFS).如果光纤所处的温度环境发生变化，布里渊频移量就会随之改变，早期研究通过实验测量，获得了单模光纤中 BFS随温度的变化系数为1.2℃/MHz［24］.因此，通过测量被测光纤各个位置处的布里渊频移量，便可获知沿光纤的温度分布情况.

实验系统的定位原理通过调节参考光路的光程来实现，探测位置为

其中，Lref为参考光路中延迟光纤及仪器内部所有光纤的长度;L1为1/99耦合器到光环形器(optical circulator，OC)红端的光纤长度;L2为后向散射光路中的光纤长度.

图1 混沌激光布里渊散射的温度传感实验装置示意图Fig.1 Experimental setup of chaotic light Brillouin scattering temperature sensing

每个时刻到达50/50耦合器的混沌参考光可视为处于某一特定状态(或某一特定相干长度)的激光，而每个时刻返回到50/50耦合器的是整个被测光纤中各位置处斯托克斯光的叠加.当参考光路的光程等于探测光路中被测光纤某一位置的光程时，在后向散射所有叠加的斯托克斯光中只有该位置的斯托克斯光与参考光具有相同混沌态，也就是它们处于同一相干长度内，此时参考光与该位置的混沌斯托克斯光才会发生最大干涉，从而获得其拍频信号.通过连续调节参考光路光纤的长度，可获得被测光纤不同位置的斯托克斯光与参考光的拍频信号，实现对被测光纤的扫描定位，获得被测光纤不同位置处的布里渊频移量，进而实现分布式的温度传感测量.干涉拍频的光谱变化采用光谱仪(Yokogawa AQ6370C)来监测.拍频光信号被超快光电探测器(photodetector，PD)转换成电信号后，利用26.5 GHz的频谱分析仪(Agilent N9020A)和6 GHz的实时示波器(Lecory SDA806Zi_A)进行观测.

图2为FUT的结构示意图.实验中将待测光纤的第2部分(110～120 m)放置在光纤恒温箱中进行温度变化，第1和第3部分以自由状态处于室温环境下，室温保持在23℃.

图2 实验中待测光纤的结构示意图Fig.2 Structure of the FUT in the experiment

2 混沌激光及混沌布里渊散射光特性

实验中，激光源输出波长为1 550 nm、功率为6.0 mW的激光，经EOM被频谱带宽为15 GHz的混沌信号调制后，获得实验所需的混沌激光，图3为该混沌激光的特性.其中，图3(a)中蓝色曲线为功率谱，可以看出混沌激光的频率范围在0～15 GHz，灰色曲线为频谱仪的噪声基底.图3(b)为混沌激光的光谱，由延迟自外差法［25］测得光谱线宽为71.91 MHz.根据相干长度的计算公式

其中，LC为混沌激光的相干长度;c为光在真空中的传播速度;n和Δf分别为光纤的折射率和光源的线宽.计算可得LC=88.53 cm，理论上相干长度等于传感系统的空间分辨率.图3(c)为混沌激光的时序，可以看出混沌激光具有快速和无规则的振荡变化，无明显周期;图3(d)是时序长度为15 000 ns的类δ函数的自相关曲线，具有低噪声水平，作为传感系统的光源具有很大的优势.

图3 混沌激光的特性Fig.3 Characteristic of the chaotic laser

实验研究了混沌激光布里渊散射光随着注入光功率的变化情况.利用高功率EDFA对混沌激光进行不同倍数放大，从0.1 W放大到1.2 W后注入长度为155 m的单模光纤，对应的后向散射光谱如图4.随着注入光功率的不断增大，后向散射光谱中斯托克斯光的中心频率峰值不断增大，从-50 dBm不断增大到5 dBm.当注入功率为1.2 W时，混沌布里渊散射光谱峰值功率比瑞利散射光的峰值功率高约25 dB，此时产生了受激布里渊散射(stimulated Brillouin scatter，SBS)，提高了拍频后布里渊增益谱的信噪比，省去滤波装置，达到简化实验方案的效果.当光纤较长时(如几公里)，光纤上各段可能出现不同的布里渊散射状态(例如，光纤末段可能因前段出现很强的SBS而没有入射光进入).因此，实验中需要选择合适的注入光功率产生适当的SBS，不至于使强SBS阻止入射光无法在传感光纤的末端中传输.相比利用自发布里渊散射传感，SBS可获得较强的信号功率和较高的信噪比，因此利用该方法可以在较长距离的被测光纤上实现传感测量.

图4 不同注入功率下混沌布里渊散射光特征Fig.4 Chaotic backscattered light spectrum with different injected optical power

实验发现，后向散射光路的偏振态对布里渊散射光的稳定性影响较大.图5为待测光纤10 m处(室温，25℃)和145 m(恒温箱内，55℃)处的布里渊拍频谱在不同偏振态条件下的变化情况.可以发现，在手动改变偏振控制器的偏振位置后，混沌布里渊散射光的偏振态发生改变，进而对布里渊拍频谱的中心频率幅值和带宽造成严重影响.由于实验中使用不同长度的延迟光纤结合可变光延迟线来调节参考臂长度，因此每调节1次参考臂光路的长度，都需要调节偏振控制器来控制被测光纤中对应等光程探测位置的布里渊散射光偏振态，使得参考光和散射光各自到达50/50耦合器时的偏振态最接近，从而获得最大强度的拍频信号，进而更易于实验结果的采集和处理.因此，实验中采用偏振控制器(general photonics，PLC-003-S-25)对后向散射光路的偏振态进行控制.

图5 不同偏振态条件下的布里渊拍频谱Fig.5 Brillouin beat spectrum in different polarization

混沌激光被EDFA放大至1.25 W后注入155 m单模光纤，所得混沌参考光和混沌斯托克斯光的拍频信号如图6.其中，图6(a)中绿色曲线表示混沌斯托克斯光的光谱信号，灰色虚线部分是瑞利散射光频所在的位置，混沌布里渊散射光的中心频率比瑞利散射的中心频率峰值高30 dB左右.红色曲线表示干涉拍频后的光谱图;图6(b)为拍频信号的布里渊拍频谱，从图6可见，3 dB带宽为40.8 MHz.

图6 混沌参考光和混沌斯托克斯光的拍频信号Fig.6 Beat signal of chaotic reference light and chaotic Stokes light

3 混沌激光布里渊频移与温度的关系

将总长度为155 m单模光纤(G.657A)的后50 m放在恒温箱内，调整参考光路光程使探测位置定在125 m处，即恒温箱内的位置.然后调节恒温箱的温度，以10℃的间隔从20～50℃调节温度进行定点测温实验.图7(a)为实验测得不同温度下的布里渊拍频谱，可见，随温度的升高，布里渊频移量和峰值功率皆呈线性增大趋势.布里渊频移量随温度变化的拟合曲线如图7(b)，拟合曲线的斜率为1.27，即温度系数为1.27 MHz/℃.同时，拟合曲线的拟合系数为0.997 59，说明布里渊频移与温度的线性度很好，实验结果与理论分析一致.

图7 混沌激光布里渊频移和温度的关系Fig.7 The relationship of chaotic light BFS and temperature

4 温度传感实验结果

选用同等长度的G.655单模光纤进行温度传感实验，经测量其温度系数为1.07 MHz/℃.设置恒温箱的温度为13℃，待温度恒定后，调节参考光路的光程，实现对整条待测光纤的温度分布测量，结果如图8.其中，图8(a)为布里渊拍频谱三维分布情况;图8(b)为沿待测光纤的布里渊频移分布情况.可见明显的温度变化区域，布里渊频移的变化量约为11 MHz，与10℃的温度变化相匹配.

图8 分布式温度传感测量结果Fig.8 Distributed temperature sensing measurement results

调节光纤恒温箱的温度至45℃，测量结果如图9.其中，图9(a)为布里渊拍频谱的三维分布图，高温区域可明显辨识.在21℃温差条件下，布里渊频移量约为21 MHz;图9(b)为布里渊频移分布情况.数据处理过程中对布里渊拍频谱采取平均处理，平均次数为300次.系统的空间分辨率可通过计算光纤温度变化区域上升和下降时间对应长度的平均值来衡量，由图9(b)插图可见，10% ～90%上升和下降区域的平均值为1.2 m，即系统空间分辨率［16］.与第2节提到相干长度为88.53 cm的混沌激光在同一水平.

图9 分布式温度传感测量结果Fig.9 Distributed temperature sensing measurement results

本方案中的定位原理是通过改变参考光路的延迟光纤长度，每次调节参考光路光纤长度后，都需调节偏振控制器(PC3和PC4)和衰减器(VA1和VA2)来调节参考光和后向布里渊散射光的偏振态与光功率，无法实现拍频谱功率在相同条件下的连续性测量.因此，图8(a)和图9(a)中不同位置处的拍频谱功率并不能真实反映布里渊散射信号的功率大小，致使其与图7(a)中对恒温箱内固定位置点不同温度下测量的拍频谱功率大小变化不一致.

实验发现，光纤中后向散射混沌斯托克斯光与混沌激光具有相似的混沌特性.从原理上分析，本传感系统的空间分辨率等于混沌光源的相干长度.然而，由于混沌泵浦光和混沌斯托克斯光在光纤中产生非线性效应，使得混沌斯托克斯光与混沌参考光的相干性发生改变，即混沌斯托克斯光的线宽比混沌泵浦光窄.同时非线性放大引起退相干，导致相干长度变长.对于该系统，空间分辨率主要取决于混沌激光的相干长度，如果使用更低相干长度的混沌激光作为光源，可以获得厘米量级的空间分辨率.本实验验证了所提方案原理的可行性，由于混沌光源采用外调制产生，受限于EOM的调制深度，所获得混沌光的光谱线宽较窄，相应的相干长度较长.后续工作可采用光域直接产生相干长度可调节的混沌激光作为探测信号，通过选择更宽的混沌激光光谱线宽，相应的即可获得短的相干长度，这样一方面宽的混沌激光光谱线宽可增加受激布里渊散射的阈值，从而提高注入到被测光纤的探测光功率以保证较长的传输探测距离，另一方面，短的相干长度可保证较高的分辨率.本课题组在前期研究中利用光反馈的方法，对自由空间结构的半导体激光器实现了相干长度由几米连续调至100 μm的激光输出［26］.在此研究基础上，下一步拟采用光纤环反馈方式，通过调节反馈强度与偏振状态，有望利用尾纤输出结构的半导体激光器获得更低相干长度的混沌光.本方案的定位原理是通过调节参考光路的光纤长度来实现，具体通过不同长度的延迟光纤和高分辨率的可变延迟线来调节.目前，本课题组已订购了延迟距离达到20 km的光延迟发生器(general photonics，ODG-101-12-100-1-15-SS-FCPC)，下一步将利用此光延迟发生器进行长距离的传感测量实验.

结 语

本研究提出一种基于混沌激光布里渊散射的相干域反射温度传感新方法.采用低相干长度的混沌激光作为光源，利用可变光延迟线调节参考光光程，通过检测传感光纤不同位置的混沌布里渊散射光与参考光的干涉信号，获得整条光纤的温度分布信息.当注入光功率为1.25 W时，选择适当的偏振态获得155 m的传感距离和1.2 m的空间分辨率.此装置结构简单，无需昂贵的脉冲信号发生器、高频信号微波源及电光吸收调制器，将为长距离的传感测量提供一种新方法.

/References:

［1］Horiguchi T，Shimizu K，Kurashima T，et al.Development of a distributed sensing technique using Brillouin scattering ［J］.Journal of Lightwave Technology，1995，13(7):1296-1302.

［2］Zhou Dapeng，Li Wenhai，Chen Liang，et al.Distributed temperature and strain discrimination with stimulated Brillouin scattering and Rayleigh backscatter in an optical fiber［J］.Sensors，2013，13(2):1836-1845.

［3］Liu Deming，Sun Qizhen.Distributed optical fiber sensing technology and its applications［J］.Laser＆ Optoelectronics Progress，2009，46(11):29-33.(in Chinese)刘德明，孙琦真.分布式光纤传感技术及其应用［J］.激光与光电子学进展，2009，46(11):29-33.

［4］Williams D，Bao Xiaoyi，Chen Liang.Investigation of combined Brillouin gain and loss in a birefringent fiber with applications in sensing ［J］.Chinese Optics Letters，2014，12(12):123101-1-123101-7.

［5］Kurashima T，Horiguchi T，Izumita H，et al.Brillouin optical-fiber time domain reflectometry［J］.IEICE Transactions on Communications，1993，E76-B(4):382-390.

［6］Bi Weihong，Yang Xipeng，Li Jingyang，et al.Forward and backward Raman amplification of Brillouin scattering signal in Brillouin optical time domain reflectometer system［J］. Chinese Journal of Lasers，2014，41(12):1205007-1-1205007-6.(in Chinese)毕卫红，杨希鹏，李敬阳，等.布里渊光时域反射系统中布里渊散射信号的前向和后向拉曼放大研究［J］.中国激光，2014，41(12):1205007-1-1205007-6.

［7］Li Yongqian，Li Xiaojuan，An Qi.New method to improve the performance of Brillouin optical time domain reflectometer system ［J］.Acta Optica Sinica，2015，35(1):0106003-1-0106003-10.(in Chinese)李永倩，李晓娟，安 琪.提高布里渊光时域反射系统传感性能的方法 ［J］.光学学报，2015，35(1):0106003-1-0106003-10.

［8］Peng Yingcheng，Qian Hai，Lu Hui，et al.New research progress on distributed optical fiber sensor technique based on BOTDA ［J］.Laser＆ Optoelectronics Progress，2013，50(10):100005-1-100005-5.(in Chinese)彭映成，钱 海，鲁 辉，等.基于BOTDA的分布式光纤传感技术新进展 ［J］.激光与光电子学进展，2013，50(10):100005-1-100005-5.

［9］Song Mouping，Li Zhicheng，Qiu Chao.A 50 km distributed optical fiber sensor based on Brillouin optical timedomain analyzer［J］.Chinese Journal of Lasers，2010，37(6):1426-1429.(in Chinese)宋牟平，励志成，裘 超.50 km长距离布里渊光时域分析分布式光纤传感器 ［J］.中国激光，2010，37(6):1426-1429.

［10］Hayashi N，Mizuno Y，Nakamura K.Simplified configuration of Brillouin optical correlation-domain reflectometry［J］.IEEE Photonics Journal，2014，6(5):6802807-1-6802807-7.

［11］Jeong J H，Lee K，Jeong J，et al.Measurement range enlargement in Brillouin optical correlation domain analysis using multiple correlation peaks［J］.Journal of the Optical Society of Korea，2012，16(3):210-214.

［12］Mizuno Y，Zou Weiwen，He Zuyuan，et al.Proposal of Brillouin optical correlation-domain reflectometry(BOCDR)［J］.Optics Express，2008，16(16):12148-12153.

［13］Song K Y，Hotate K.Distributed fiber strain sensor with 1-kHz sampling rate based on Brillouin optical correlation domain analysis ［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2007，19(23):1928-1930.

［14］Zou W，He Z，Hotate K.Range elongation of distributed discrimination of strain and temperature in Brillouin optical correlation-domain analysis based on dual frequency modulations ［J］.IEEE Sensors Journal，2014，14(1):244-248.

［15］Koyamada Y，Sakairi Y，Takeuchi N，et al.Novel technique to improve spatial resolution in Brillouin optical time-domain reflectometry［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2007，19(23):1910-1912.

［16］Li Wenhai，Bao Xiaoyi，Li Yun，et al.Differential pulsewidth pair BOTDA for high spatial resolution sensing ［J］.Optics Express，2008，16(26):21616-21625.

［17］Dong Yongkang，Zhang Hongying，Chen Liang，et al.2 cm spatial-resolution and 2 km range Brillouin optical fiber sensor using a transient differential pulse pair［J］.Applied Optics，2012，51(9):1229-1235.

［18］Foaleng S M，Tur M，Beugnot J C，et al.High spatial and spectral resolution long-range sensing using Brillouin echoes［J］.Journal of Lightwave Technology，2010，28(20):2993-3003.

［19］Mizuno Y，He Z，Hotate K.Measurement range enlargement in Brillouin optical correlation-domain reflectometry based on temporal gating scheme ［J］.Optics Express，2009，17(11):9040-9046.

［20］Cohen R，London Y，AntmanY，et al.Brillouin optical correlation domain analysis with 4 millimeter resolution based on amplified spontaneous emission ［J］.Optics Express，2014，22(10):12070-12078.

［21］DenisovA，Soto M，Thévenaz L.1 000 000 resolved points along a Brillouin distributed fibre sensor［C］//The 23rd International Conference on Optical Fibre Sensors.Santander(Spain):SPIE，2014:9157D2-1-9157D2-4.

［22］London Y，Antman Y，Cohen R，et al.High-resolution long-range distributed Brillouin analysis using dual-layer phase and amplitude coding ［J］.Optics Express，2014，22(22):27144-27158.

［23］Agrawal G P.Nonlinear fiber optics［M］.5th ed.New York(USA):Academic Press，2012:353-358.

［24］Kurashima T，Horiguchi T，Ohnot H，et al.Strain and temperature characteristics of Brillouin spectra in optical fibers for distributed sensing techniques［C］//The 24th European Conference on Optical Communication.Madrid(Spain):IEEE，1998:149-150.

［25］Horak P，Loh W H.On the delayed self-heterodyne interferometric technique for determining the linewidth of fiber lasers ［J］.Optics Express，2006，14(9):3923-3928.

［26］Wang Yuncai，Kong Lingqin，Wang Anbang，et al.Coherence length tunable semiconductor laser with optical feedback ［J］.Applied Optics，2009，48(5):871-973.