基于SOA脉冲调制的BOTDR应变检测系统*

2017-12-26李哲哲靳宝全

传感技术学报 2017年12期

关键词：布里渊消光传感

张瑜,王东*,白清,李哲哲,王宇,靳宝全,2

(1.太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,太原 030024;2.煤与煤层气共采国家重点实验室,山西晋城 048012)

基于SOA脉冲调制的BOTDR应变检测系统*

张瑜1,王东1*,白清1,李哲哲1,王宇1,靳宝全1,2

(1.太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,太原 030024;2.煤与煤层气共采国家重点实验室,山西晋城 048012)

电光调制器调制光脉冲时易受偏振态与偏压影响,造成调制脉冲平均功率与消光比不稳定,影响检测系统稳定性,实际中需通过复杂算法校正。提出半导体光放大器调制光脉冲的方法,通过改变注入泵浦电流调制光脉冲,采用相干探测结合微波频率扫描方法,获取不同频率点下自发布里渊散射信号,经洛伦兹拟合得到布里渊散射谱,实现光纤沿线布里渊频移解调,并搭建了基于半导体光放大器的BOTDR分布式应变检测系统。实验中选取2.943 km光纤末端施加500 με,频移测量误差在±0.5 MHz范围内。研究表明可实现稳定应变检测。

应变检测;脉冲调制;半导体光放大器;BOTDR;电光调制器

布里渊光时域反射BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)应变检测技术是基于光纤中布里渊散射频移与应变的线性关系,采用单模光纤作为传感与传输媒介,实现全光纤长度上应变测量[1]。该技术仅需单端探测[2],且可实现应变的长距离在线检测,故成为研究热点并并得到广泛应用[3-5]。目前在BOTDR传感系统中多采用电光调制器EOM(Electric Optic Modulator)调制光脉冲的方法,将连续光调制成光脉冲信号并注入传感光纤[6-7],实际应用中EOM的偏置电压易受环境温度、热电效应、偏振态等因素的影响而发生漂移,影响输出光脉冲的平均功率与消光比,降低系统信噪比,造成测量精度降低。南京大学张旭苹教授课题组设计了一种“步进跟随”算法,使BOTDR系统的单路动态范围仅有0.5 dB的波动[8];中国计量学院胡佳成课题组提出了结合双电极串联结构EOM及“扫描-步进跟踪”算法,实现脉冲消光比自动控制,将EOM输出脉冲光的消光比稳定在50 dB以上[9];加拿大Jeffrey Snoddy等人将锁相放大器及PID控制算法用于EOM偏压点控制,并依据其特点说明了两种方法的适用场合[10]。上述方法均实现了EOM偏置电压的控制,获得消光比稳定的光脉冲。

本文拟采用半导体光放大器SOA(Semiconductor Optical Amplifier)调制光脉冲,研究获得消光比稳定的光脉冲信号的方法,为提高BOTDR系统稳定性与可靠性提供一种新方案。SOA调制模块内部集成脉冲信号发生器,其优点在于可提供同步输出信号,因此,可简化系统结构,降低装置成本。

1 脉冲调制分析

传统EOM调制方法的功率传输特性曲线可表示为[9]:

(1)

式中:Po表示EOM的输出光功率,Pi表示输入光功率值,P0表示EOM的泄漏光功率值;α系数由EOM自身结构决定;Vπ表示EOM的半波电压,由EOM自身结构决定,为常数;V表示EOM的加载电压值(包括直流偏置电压与电调制信号的电压);y0表示EOM 的偏移相位,包括初始相位和漂移相位,初始相位由EOM的自身结构决定,漂移相位值易受环境温度、热电效应等因素的影响发生变化。

EOM调制光脉冲主要利用其工作在输出光功率最大点及最小点。当加载直流偏置电压为最小点,且电调制信号加载为其半波电压,此时可实现高消光比脉冲调制。但随着时间增加,受环境温度等影响,y0逐渐变化,使得输出光脉冲的幅值及泄漏光功率均变化,影响消光比稳定性。

SOA方法主要依靠泵浦电流的变化以实现对输入光的脉冲调制。当有泵浦电流注入时,SOA有源层形成粒子数反转分布,此时输入光信号将引发受激辐射,进而产生一个放大的输出光信号;当无泵浦电流注入时,有源层未能达成粒子数反转分布,通过的光信号被SOA源区材料本身所吸收,无法引发受激辐射,从而不能输出光信号[11-12]。

当连续光与泵浦电流注入SOA时,其有源层载流子浓度变化及功率传输可表示为[13]:

(2)

(3)

式中:N为载流子浓度,I为注入电流强度,q为单位电荷电量,Γ为限制因子,αint为内部损耗,V为有源区体积,α为线宽增长因子,hω0为光子能量,g(N)为增益系数,vg表示粒子群速度,τc表示自发载流子寿命,z为光沿SOA有源层传播方向,A表示光在SOA传输过程中的包络变化,将其用功率及相位表位为:

(4)

式中:P表示输出光功率,φ表示输出光相位,i为虚数单位。

将式(4)代入式(2)、(3),可得光功率及光相位随传输位置的变化:

(5)

(6)

对式(4)、(5)两边积分,可得输出光功率Po(t)及相位φo(t)随时间的变化:

(7)

(8)

由式(7)、式(8)可知,输出光信号的功率及相位仅与SOA的增益有关,即与有源层载流子浓度变化有关。当施加一定周期和占空比的脉冲(大于几皮秒)泵浦电流时,载流子浓度服从准稳Fermi-Dirac分布,可忽略载流子加热、光谱烧孔等效应[14],因此,温度对增益的影响可忽略,输出光脉冲的平均功率较稳定,对输出光脉冲的消光比影响较小。

2 实验方案

为分析对比EOM和SOA对系统的影响,搭建了如图1所示的BOTDR分布式光纤应变检测系统。窄线宽激光器(线宽100 kHz)发出连续光,经90∶10的光纤耦合器分为两路,其中光功率占比为10%的一路为本征参考光,光功率占比为90%的一路为探测光。脉冲调制模块将探测光调制成脉宽为10 ns,周期为125 μs的探测脉冲,经由脉冲光放大器放大,光滤波器1滤除ASE噪声后,经光环形器注入传感光纤。其后向散射光经放大并滤除ASE噪声后,与本征参考光通过50∶50光纤耦合器进入光电探测器2,实现相干探测。此外,为消除偏振态对拍频信号的影响,本征参考光路增加了扰偏器。

光电探测器2输出的电信号,经带通滤波器、低噪放大器处理后,进入混频器与微波本振信号混频。混频后的信号通过带通滤波器,并经检波器完成功率测量后进入示波器实现数据采集。通过不断改变微波源的输出频率,获取不同频率点下的时序曲线,最后利用洛伦兹拟合算法,提取不同位置点的布里渊频移。

图1 布里渊光时域反射(BOTDR)的应变传感系统

3 实验分析

分别采用EOM与SOA作为脉冲调制模块,在二者均没有任何优化方案下,用功率计采集2 h内EOM与SOA输出脉冲平均功率,结果如图3所示。

图2 输出平均功率监测方案

图3 SOA与EOM输出平均光功率对比

图3中,EOM的输出平均光功率随时间逐渐增大,2 h内由0.5 μW增加至17 μW;而SOA输出平均光功率在2 h内波动较小,约为5 nW。这是由于EOM内部铌酸锂晶体状态受到环境温度、热电效应等因素的影响,最终导致其输出光脉冲消光比恶化,输出平均光功率增加。

为进一步验证输出光脉冲消光比的稳定性对时序信号的影响,采用图1所示的BOTDR应变测量系统,分别利用SOA与EOM调制探测光脉冲,间隔5 min采集同一频率点下不同时刻的检波器输出幅值信号。两种调制方案下,所得同一频率不同时刻下的时序信号分别如图4(a)、(b)所示。

图4 同一频率点不同时刻幅值曲线(EOM、SOA)

图4(a)中,随着EOM工作时间增加(箭头方向),500 m处该频率点下检波器输出幅值由0.789 V下降至0.728 V,其他位置幅值也逐渐下降;而图4(b)中,同条件下的幅值基本稳定在0.8 V。因此,脉冲消光比不稳定会使时序曲线发生漂移。

实验选用G652单模光纤作为传感光纤,总长约为2.943 18 km,其中FUT1和FUT3分别约为2.819 km、123 m,处于松弛状态,FUT2约为1.18 m,两端固定于精密平移台上施加拉伸应变。分别采用SOA与EOM脉冲调制方案,施加500 με,4 h内对光纤沿程布里渊频移进行测试(每次间隔0.5 h)。

实验中首先进行0 με标定,之后在FUT2光纤上施加500 με。在该应变下以步进方式改变本振微波源的输出频率完成对布里渊增益谱的扫描,用示波器采集不同频率点下的时序信号。通过数据处理,得到不同位置处的布里渊散射谱,进行洛伦兹拟合得到其相应的布里渊频移沿光纤分布情况,如图5(a)、(b)所示。

图5 布里渊频移多次测量结果

图5(a)中,选用SOA脉冲调制方案,8次测量光纤沿程布里渊频移基本一致,未施加应变的区域频移波动为±1.472 MHz,由光纤本身存在的应力分布和系统噪声造成。2 818 m～2 823 m,布里渊频移的变化及位置基本不变,系统检测到的应变发生区间长度为1.23 m,与实测值相差0.17‰。图5(b)中,选用EOM脉冲调制方案,随着时间的增加,受环境温度、热电效应等影响,信噪比逐渐下降,最终导致无法检测应变值。

对图5(a)中2.82 km处布里渊频移分布分析,如图6所示,频移测量误差在±0.5 MHz范围内。

以Δ=500 με为步进,对FUT2段光纤逐步施加0 με～3 000 με的拉伸应变。选用SOA脉冲调制方案,实验得到不同应变下的光纤沿程布里渊频移分布曲线如图7所示。

图6 2.82 km处多次测量布里渊频移分布

图7 光纤沿程布里渊频移分布曲线(不同应变)

图7中,应变线性增加,2 820 m处布里渊频移也相应线性增加。取该位置布里渊频移,并计算其与初始应变布里渊频移差值,对其进行线性拟合。所得待测光纤布里渊频移变化与其应变改变量关系如图8所示。

图8 布里渊频移变化与应变改变量关系

图8中布里渊频移变化与其应变改变量的线性系数为5.04 MHz/100 με,与理论值吻合。线性拟合后判定系数为0.994 17(最佳值为1),即布里渊频移改变量与应变具有较好的线性关系。

图9为3 000 με时,2.81 km～2.828 km区间的三维布里渊散射谱。2.82 km处,布里渊散射谱峰值对应的频率值由10.71 GHz变化至10.86 GHz,与图7一致。

从上述实验结果分析可知,选取2.943 km传感光纤末端施加应变,获得了1.1 m的空间分辨率(应变区光纤段的上升和下降区域的10%～90%间的时间差所对应长度(以米为单位)的平均值)。检测同一应变时,布里渊频移值误差在±0.5 MHz范围内,即±10 με范围内,故可实现稳定应变检测。

图9 2.81 km～2.828 km区间三维布里渊散射谱(3 000 με)

4 结论

本文分析了EOM与SOA调制脉冲输出平均功率的稳定性及某一固定频率点下的时序曲线,由此得出,利用SOA可得到消光比稳定的脉冲,并对比了同一应变下两种方案检测结果。在此基础上,搭建了基于SOA脉冲调制的BOTDR应变检测系统,实验中选取传感光纤2.943 km末端1.18 m光纤施加了0～3 000 με。结果表明系统可进行准确的应变测量,空间分辨率为1.1 m,同一应变布里渊频移误差在±0.5 MHz范围内,故系统可实现稳定的应变检测。

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BOTDRStrainDetectionSystemBasedonSOAPulseModulation*

ZHANGYu1,WANGDong1*,BAIQing1,LIZhezhe1,WANGYu1,JINBaoquan1,2

(1.Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control Systems,Ministry of Education and Shanxi Province,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Coal and Coal Methane Simultaneous Extraction National Key Laboratory,Jincheng Shanxi 048012,China)

The light pulse modulated by Electric Optic Modulator(EOM)is susceptible to polarization and bias problems,which may cause the instability of average power and extinction ratio of the modulated pulse.Thus,the stability of detecting system is influenced,which needs to be corrected by complex algorithms. In this paper,we propose a new method that modulates probe optical pulse using a semiconductor optical amplifier(SOA)by changing the pump current. The coherent detection combined with the microwave frequency scanning method is used to obtain the spontaneous Brillouin scattering signal at different frequencies,and the scattering spectrum is obtained by Lorenz fitting to demodulate the frequency shift along the optical fiber. Finally,a BOTDR distributed strain detecting system based on SOA is built,and a strain of 500 με is imposed at the end of 2.943 km fiber. The experimental results show that a stable strain detection is achieved with a measurement error in range of ±0.5 MHz.

strain detection;pulse modulation;semiconductor optical amplifier;BOTDR;electric optic modulator

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.12.028

项目来源:燃气管网数字化系统开发与示范项目(MQ2014-09);复杂地质条件下煤层气输送管路安全监测与预警项目(2015012005);拉曼散射提升布里渊光纤传感检测性能研究项目(201601D021068);利用布里渊光时域反射技术实现燃气长输管道裂纹与异常形变的在线无损检测项目(2016BY066)

2017-05-09修改日期2017-08-18

TP211+.6;TP23;TP212

1004-1699(2017)12-1954-05