分布式光纤传感技术及其在航空航天领域的应用展望

巴德欣，董永康

(哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室，哈尔滨 150001)

0 引 言

相对于传统的电学传感器，分布式光纤传感器具有灵敏度高、电磁兼容性好、安全性高、易集成于复合材料中等优点。分布式光纤传感器可以对传感光纤上任意位置的物理量进行测量，传感点连续无盲区，这极大地简化了传感器的布设难度，避免漏报，提高了监测的可靠性，并为航天柔性材料的形态监测提供了可行的技术途径。

分布式光纤传感技术已实现了多达上百种物理量的监测，其中最常用的监测物理量包括应变、振动和温度等。目前，分布式光纤传感技术已在基础设施的结构健康监测、周界安防、地球物理等多个领域进行了成功的应用。本文对分布式光纤传感技术的主要技术及水平进行了综述，并对分布式光纤传感技术在航空航天领域的初步应用进行了介绍与展望。

1 分布式光纤传感技术的物理机制

分布式光纤传感技术利用光纤中的背向散射机制，通过对背向散射光信号的测量，实现对外界物理量在全光纤上的分布式测量。光纤中常见的三种散射效应分别为瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。利用上述三种散射效应分别形成了分布式瑞利光纤传感技术、分布式布里渊光纤传感技术和分布式拉曼光纤传感技术。其中，基于瑞利和布里渊散射效应的分布式传感技术对温度和应变敏感，广泛应用于结构健康监测和振动监测领域，而拉曼散射信号对应变不敏感，一般只能用于温度传感。

2 分布式布里渊光纤传感技术

分布式布里渊光纤传感技术基于光纤中的布里渊散射效应。如图1所示，布里渊散射过程是泵浦光、斯托克斯光和声波场的三波耦合过程。由于声波场的衍射作用，泵浦光的能量会向斯托克斯光转移。泵浦光和斯托克斯光之间存在一定频差，该频差称为布里渊频移。光纤中的布里渊频移是温度和应变的函数，满足式(1)的线性关系：

图1 布里渊散射效应示意图Fig.1 Schematic of Brillouin scattering

(1)

图2 布里渊传感示意图Fig.2 Sketch map of Brillouin sensing

分布式布里渊光纤传感技术自上个世纪90年代提出以来，已形成了如布里渊光时域分析(Brilouin optical time domain analysis, BOTDA)[1]、布里渊光相关域分析(Brillouin optical correlation domain analysis，BOCDA)[2]、布里渊光时域反射(Brillouin optical time domain reflectometry，BOTDR)[3]、布里渊光相关域反射(Brillouin optical correlation domain reflectometry，BOCDR)[4]、布里渊光频域分析(Brillouin optical frequency domain analysis，BOFDA)[5]等一系列分布式传感技方案。其中，分析型技术基于布里渊放大过程，反射型技术基于自发布里渊散射过程。前者需要在待测光纤中的两端分别注入泵浦光和探测光，后者只需在一端注入泵浦光即可。相对于反射型技术，分析型传感技术具有信噪比高的优点。

2.1 BOTDA技术

BOTDA技术的实现原理如图3所示。泵浦光和探测光分别从传感光纤的两端注入(探测光可与泵浦光同源产生)。为了具有位置分辨能力，泵浦光一般采用脉冲光，探测光采用连续光。泵浦光与探测光在待测光纤上的不同位置相遇，发生布里渊散射作用。透过传感光纤的探测光经由探测器探测。不同位置处与泵浦光相互作用的探测光到达探测器的时间不同，因此利用时间分辨即可实现对不同位置信息的分离。位置与回波信号的关系与雷达回波原理一致，满足：

图3 布里渊光时域分析原理示意图Fig.3 Sketch map of BOTDA

(2)

式中：c为真空中的光速，n为传感光纤的有效折射率，t0为z=0处的探测光到达探测器的时间。传感的空间分辨率由脉冲宽度决定：

(3)

式中：τ为泵浦光脉冲宽度。因此，采用短脉冲，可以提高空间分辨率。但是由于受到光纤声子寿命的限制，常规BOTDA技术的空间分辨率一般不优于1 m。为了提高空间分辨率，研究人员们提出了预泵浦技术[6]、暗脉冲技术[7]、差分脉冲对技术等。其中，差分脉冲对技术利用脉宽不同的两个泵浦脉冲依次对传感光纤进行探测，传感的空间分辨率由两脉冲的脉宽差决定。本课题组利用差分脉冲对技术在2 km光纤上实现了2 cm的高空间分辨率传感[8]。

2.2 BOCDA技术

布里渊相关域分析技术是实现高空间分辨率传感的一种有效方案。布里渊相关域分析技术通过对泵浦光和探测光做同步的频率或相位调制，导致泵浦光和探测光在待测光纤中的局部区域内保持频率或相位差恒定。该局部区域称为相关峰。由于有效的布里渊相互作用被局限在了相关峰内，布里渊相关域分析技术的空间分辨率由相关峰宽度决定。在正弦频率调制型BOCDA技术中，泵浦光和探测光的频率同步经历正弦调制，其空间分辨率满足[9]：

(4)

式中：γ为光纤的本征布里渊线宽，fm为调制频率，Δf为调制幅度。相邻两相干峰的距离满足[9]：

(5)

在相位调制型BOCDA技术中，对泵浦光和探测光同步施加相位编码调制。一般采用伪随机序列码或哥仑布码。其空间分辨率由码宽决定，满足[10]：

(6)

式中：vg为光在光纤中的群速度，T为码宽。两相邻相关峰的间距由码长决定。对于N位编码，其间距满足：

dm=NΔz

(7)

利用频率调制的BOCDA技术，目前实现的最优空间分辨率达1.6 mm[11]。利用相位调制型BOCDA技术，瑞士的Luc小组实现了最高为8.3 mm的高空间分辨率传感[12]。本课题组利用相移键控技术实现的完美PRBS码调相，将空间分辨率提升至2 mm[13]。

2.3 动态布里渊光纤传感技术

无论是BOTDA技术还是BOCDA技术，其布里渊增益谱的测量都是通过调节泵浦光和探测光的频率差，以此扫描布里渊增益谱而实现的。由于激光频率调谐速度的限制，BOTDA技术的测量速度较慢，完成单次测量所需的时间一般为数十秒至分钟量级。而BOCDA技术需要对待测光纤上各点逐一扫描，其测量所需时间往往更长：一般在分钟甚至小时量级。由于测量速度慢，传统的BOTDA和BOCDA技术一般只用于测量静态或缓慢变化的信号。

为了对快速变化的信号(一般为应变或振动信号)进行监测，研究人员们提出了多种动态传感技术方法。根据布里渊频移的测量方法，可以大致分为两类。一类是斜坡辅助型传感技术，该技术利用增益谱曲线的线性区(称之为斜坡)解调布里渊频移，原理如图4所示[14]。该方法将泵浦光和探测光的频率差固定在斜坡中段，满足：

图4 斜坡辅助法测量动态信号的原理示意图[14]Fig.4 Principle of slope-assisted Brillouin dynamic sensor [14]

(8)

式中：vpump和vprobe分别代表泵浦光和探测光的频率，γ为待测光纤的布里渊线宽。当发生外界扰动时，待测光纤的布里渊频移发生改变，导致增益谱移动，引起探测光增益发生变化。通过测量探测光增益的变化，就可以解调出外界物理量的变化。

由于这类方法不需要激光的频率调谐，显著提高了测量速度。该方法的最高测量速度只由光纤长度和平均次数决定。该方法测量速度快，但存在测量范围小的问题。由于斜坡宽度一般仅为数十兆赫兹，导致仅能测量数百微应变或数十摄氏度的温度变化。为了解决这一问题，本课题组提出了多斜坡辅助式传感技术[15-16]，该技术通过构造首位级联的多个斜坡，以达到拓展传感的测量范围的目的。利用多斜坡技术，实现了达5000 με的信号测量。由于采用多斜坡的联合解调算法，该方法还解决了单斜坡方案易受光源和偏振波动影响的问题。

另一类动态传感技术是基于激光频率捷变的增益谱拟合式传感技术。2012年Peled等[17]提出了基于捷变频技术的动态传感技术，其方案如图5所示。该方法的技术构架仍然是BOTDA技术，与传统BOTDA技术的区别是探测光是频率阶跃变化的波列。由于采用外调制技术，激光频率调谐时间可以忽略。该技术十分有效地提高了测量速度。探测光在布里渊频移附近做捷变频需要高带宽(10 GHz以上)的任意波发生器或矢量信号源，这显著提高了该技术的技术门槛和成本，阻碍了该技术的实际应用。为了解决这一问题，本课题组提出了基于强度调制二阶移频效应的动态传感技术[18]和基于双调制技术的动态传感技术[19]等，前者将任意波带宽下降为原来的一半，而后者的任意波源带宽仅需数百兆赫兹。

图5 基于捷变频技术的动态传感技术原理[17]Fig.5 Principle of fast Brillouin senor based on frequency agility [17]

为了进一步提高测量速度，本团队提出了基于光学啁啾链的动态传感技术。如图6所示，该方法的探测光为啁啾链，一个泵浦脉冲一次与所有频率的探测光相互作用，以此利用单发次就实现了全光纤布里渊增益谱的扫描，将增益谱扫描式布里渊传感技术的测量速度提高到了极致，最高测量采样率达到6.25 MHz，以此对机械冲击响应进行了测量，结果如图7所示[20]。

图7 利用光学啁啾链技术测得的由机械撞击引发应变变化[20]Fig.7 Time-frequency response for the mechanical shock measurement[20]

图6 基于光学啁啾链的动态传感原理图[20]Fig.6 Principle of dynamic Brillouin senor based on optical chirp chain [20]

需要注意的是，上述关于时间的讨论并未涉及数据处理时间；对于增益谱拟合型分布式传感技术，其数据处理时间是不可忽略的：由于数据处理速度一般低于数据产生数据，导致数据不能及时处理，数据拥塞。因此，对于采样频率要求高的应用领域，增益谱拟合式动态传感技术一般不适用于动态信号的实时在线监测。该技术更适合于“在线数据采集+离线处理”的工作方式。而对于斜坡辅助式传感技术，其数据处理一般基于简单的线性计算，计算所花费的时间几乎可以忽略，可用于高速实时在线监测。但是，增益谱扫描型技术的测量精度优于斜坡辅助式技术，这是由二者布里渊频移解调方法所决定的。

3 瑞利光纤传感技术

光纤中的瑞利散射源于折射率沿光纤轴向上的不均匀分布。基于瑞利散射的分布式传感技术最早用于分布式损耗测量以及断点检测。其利用光时域反射(Optical time domain reflectometry，OTDR)原理，通过向待测光纤中注入脉冲探测光，以其回波信号的强度变化获知损耗沿光纤上的分布情况。为了避免各散射点回波信号的相干，光源一般采用宽谱光源。传统的OTDR技术只能测量损耗，为了拓展感知物理量的范围，研究人员们发展了相位敏感型OTDR (Φ-OTDR)技术和光频域反射计(Optical frequency domain reflectometry, OFDR)等技术。瑞利光纤传感技术的突出优势是高灵敏度，但其只能用于应变和温度的相对变化测量，不具备布里渊传感技术的绝对测量能力。

3.1 Φ-OTDR技术

与传统的光时域反射计技术利用非相干光源不同的是，Φ-OTDR技术采用窄带光源。因此，半个脉冲空间宽度内的各散射点的回波信号在探测器上会相干叠加。由于各散射点散射的回波信号的相位受应变(包括振动)和温度的影响，当发生光纤形变或温度变化时，相位变化导致叠加后回波信号的强度发生变化。通过对回波信号的强度变化进行分析，可以获得外界扰动发生的位置信息。因此，该技术多用于对外界振动的定位，以此实现周界入侵检测功能。

由于回波信号的强度变化与外界应变和温度变化之间没有确定的关系，单纯通过强度变化信号只能对外界扰动的有无进行判定，无法实现应变和温度的定量测量。为了实现定量测量，人们发展了基于相位信息的Φ-OTDR技术。该技术利用应变和温度变化与其引起的相位变化呈线性关系这一特性，通过测量两点之间的相位变化以解调出温度和应变变化。该技术的灵敏度非常高，应变分辨率可达纳应变量级，极适用于振动、声波和地震波的监测。如图8所示为用纳米位移台以20 nε每步的间距对传感光纤进行步进拉伸时，利用Φ-OTDR解调得到的相位变化。利用相位与应变的关系就可以解调出对应的应变变化。位移台拉伸时引起的光纤振动被准确地记录了下来，证明了该方法的高灵敏度[21]。

图8 20纳应变测量结果[21]Fig.8 Measured phase change resulting from nanostrain using Φ-OTDR [21]

当应变和温度变化引起的相位变化超过2π时，数据解调会发生多值现象，这限制了相位解调型瑞利传感技术的测量范围。为此，研究人员提出了基于双波长的相位解调方法，实现了10.32 με到24.08 με大范围应变的测量[22]。由于相位解调是基于回波信号的强度信息，相干衰落和偏振衰落会导致光纤局部的回波信号强度过低，引入较大的解调误差甚至解调失败。为此，研究人员们提出了利用多波长探测等方法来解决衰落噪声问题[23-24]。

2009年，Koyamada等[25]提出了另一种可定量测量应变和温度变化的传感技术：多频Φ-OTDR技术。该技术基于频率补偿原理：外界扰动导致的回波信号强度变化可以通过改变探测激光的频率进行补偿。Koyamada等利用多个频率的光脉冲对传感光纤进行探测，这些脉冲的回波信号构成一幅空域—频域二维瑞利散射谱。通过先后两次探测散射谱，利用一维互相关运算计算散射谱频率移动量，以此解调应变和温度变化。该技术无相干衰落噪声问题。这种多频Φ-OTDR技术的温度测量分辨率达到了0.01 ℃，等效应变分辨率达100 nε。同样，该技术存在测量范围小的问题，其测量范围受限于激光频率调谐带宽，Koyamada等利用2 GHz的激光调谐带宽仅实现了0.22 ℃温度变化的测量。在此基础上，2017年Liher等[26]提出了双频Φ-OTDR技术方法，该技术利用具有一定频差的两个光脉冲进行探测。当外界物理量(如应变或温度)发生变化时，两光脉冲的回波信号会在信号轴上发生移动，通过测量信号轴上的移动量，就可以解调出温度变化。该方法利用较窄的激光调谐频宽就可以测量较大的温度变化。为了实现快速测量，研究人员们还提出了基于捷变频技术和啁啾脉冲技术的时域分析方案，实现了最快达单发次采样的高速信号采集[27-28]。

V e=即选用的压力膨胀罐总容积不小于0.47m3。市面有500L总容积罐体其产品直径φ=660mm，高H=1900mm。

3.2 OFDR技术

OFDR技术最初起源于雷达系统中的调频连续波技术，借助可调谐激光光源的相干性及大范围的快速调谐能力，OFDR具有高空间分辨率、高信噪比等特性。

OFDR的基本结构和原理如图9所示，其中光源是线性调谐光源，通过耦合器将光波分为两束，其中本振作为参考光注入参考臂，经过反射后重新进入耦合器；另一束作为探测光注入测试光纤，瑞利散射信号与参考信号在探测器上发生拍频。由于传感光纤不同的位置处对应的散射光相对于参考光具有不同的时间延迟，导致拍频信号的频率不同。通过频谱分析，即可解调出不同位置的散射信息。

图9 OFDR基本原理图Fig.9 Schematic of OFDR

1998年，Froggatt等[29]提出了通过测量瑞利散射光谱移动实现高精度分布式温度和应变传感的方法，其基本思想是将普通单模光纤纤芯折射率的随机波动等效为沿纤芯方向具有随机幅度与相位的布拉格光栅。外界应变与温度变化导致光栅反射谱的移动。通过测量谱移动量，就可实现分布式的温度和应变测量。

2011年，上海交通大学樊昕昱课题组与日本NTT的研究人员Koshikiya等合作利用相位噪声补偿的方法实现了测量距离达40 km、空间分辨率达厘米量级的OFDR系统[30]。2013年，天津大学丁振扬课题组实现了测量距离达80 km、空间分辨率1.6 m的OFDR[31]；2015年，上海交通大学何祖源团队提出一种TGD-OFDR系统，将测量距离进一步提升到110 km，空间分辨率为1.6 m[32]。2017年，上海交通大学Wang等采用注入锁定和级联四波混频技术实现了100 GHz的超线性扫描，以此在2 km传感距离上实现了1.1 mm的高空间分辨率传感。

4 分布式光纤传感技术在航空航天领域的应用

光纤光栅型光纤传感技术已在航空航天领域已开展了一些应用，如结构健康监测、温度监测、形态测量等[33-37]。在航空领域，分布式光纤传感技术已开展了多项机载试验，实现了应变、振动和温度的分布式监测。2014年三菱重工的研究人员报道了其在MU-300型商用喷气式飞机上开展的分布式光纤传感在线监测研究工作[38]。其试验台如图10所示，传感光纤布设于飞机尾翼前端。利用BOCDA技术进行了应变和温度的分布式监测工作，部分测试结果如图11所示，传感空间分辨率为30 mm，分布式传感测量结果与点式传感结果相符，检验了应用于分布式传感对飞机进行在线监测的可行性。

图11 应变和温度测量结果[38]Fig.11 Measured strain and temperature distribution [38]

图10 机载BOCDA试验平台[38]Fig.10 Test bed in flight demonstration test [38]

2019年，日本航空航天局与东京大学合作发表了其利用分布式光纤传感技术对中型飞机机翼应变进行在线监测的研究成果[39]。该监测采用OFDR系统，为了提高信器比，在传感光纤上连续刻写了FBG(单个FBG长度为10 cm)。其分布式传感的空间分辨率达到了1.6 mm，测量采样率为151 Hz，其试验平台如图12(a)所示，其起飞阶段的应变测量如图12(b)所示。

图12 基于分布式传感技术的分布式机翼应变监测[39]Fig.12 Distributed strain sensing for aircraft wing [39]

航天器苛刻的工作环境对分布式传感仪的体积、重量和功耗都提出了非常的要求。目前针对航天器的分布式监测技术研究工作鲜有报道。现阶段，分布式光纤传感技术虽未达到上天在轨测试的技术水平，但由于其分布式监测能力，可以提供点式传感技术无法比拟的非富信息，在航天领域有广泛的应用前景，特别是对柔性材料的形态监测具有突出的技术优势。现阶段，预期可首先应用于航天器及相关设备的地面研制阶段，用来获取被测物体在模拟真实环境中的应变和温度分布信息，作为分析手段，指导设备设施的研制，并检验设备设施的结构安全性。

5 结束语

分布式布里渊光纤传感技术和瑞利光纤传感技术为应变、温度和振动的分布式测量提供了有效途径。目前，相关技术已在民用航空器上进行了机载在线实验，证实了其分布式监测能力。现阶段，分布式光纤传感技术由于解调仪体积、功耗和重量等方面的限制，还不能用于在轨航天器的实时监测。未来的发展方向可走嵌入式技术路线，开展小型化分布式传感技术研究工作，以满足航天器监测的需求。