一种新的布里渊光时域定位技术

蒋超

(中船重工750试验场，云南 昆明 650010)

1 引言

如今，BOTDA传感系统被广泛的应用于结构健康监测领域，尤其是大型结构的结构健康监测，石油和天然气行业的泄漏检测，大功率电缆的温度监测等[1,2]。受限于光纤中声子寿命(10ns)的限制，传统BOTDA系统空间分辨率一般不超过1m[3]，远不能满足实际应用的需求。近年来针对BOTDA空间分辨率受声场寿命的限制，研究人员进行了大量的研究。提出的解决方案都是利用短脉冲空间分辨率高的优点，并通过一系列技术手段克服短脉冲不能激发稳定声场的缺点。这些方法包括：差分脉冲对技术(DPP)[4]、脉冲预泵浦(PPP)布里渊光时域分析技术[5]、双脉冲法[6]、暗脉冲法[7]、布里渊回声技术(BEDS)(也称π脉冲技术)[8]、光学参量放大技术(ODPA)[9]和增益包络探测技术(GPT)[10]，以及脉冲划分技术等[11]，这些技术本质上还是由脉冲宽度决定空间分辨率。

本文通过对布里渊信号重叠现象的研究，提出了一种新的解决方案。由于不同脉宽下布里渊信号的一端会重叠在同一位置，而且该点对应应变(温度)段的端点。利用这个现象，通过对应变(温度)段两端的位置进行定位，可实现应变(温度)段的定位。理论上该方法的空间分辨率不受限制，和脉冲宽度没有直接关系，仅由系统的最小采样间隔决定，即可以利用几十上百ns的脉冲对cm级的应扰动段进行探测，长脉冲意味着更高的信噪比，因此有利于实现长距离高分辨率传感。该方法基于传统的BOTDA系统实现，操作简单，不会增加系统的复杂程度，具有较高的实用价值。

2 原理分析

本研究中提出的提高空间分辨率的方法是基于布里渊信号的重叠现象。首先，使用BOTDA系统的脉冲划分分析对该现象进行了解释。如图1所示，BOTDA系统中的脉冲光和探测光相向传输，其交互长度为脉冲宽度所对应光纤段的一半(图中红色段)。把脉冲划分为10个子脉冲，从图1(a)开始，第10个子脉冲先和探测光交互，第一份能量转移。此后脉冲光、探测光继续前行，图1(b)为第9个子脉冲和探测光交互，第二份能量转移，此时第一份交互转移的能量随着探测光的移动和第二份能量叠加。以此类推，直到最后一个子脉冲与探测光发生能量转移。如图1(c)，此时的信号等于之前十次交互能量的叠加。也就是说，每个采样点探测到的能量都包含10份子能量的叠加。

图1 BOTDA系统中布里渊信号产生原理Fig.1 Principle of Brillouin Signal Generation in BOTDA System

根据上述理论，对热点附近处采样点的布里渊增益强度进行了分析。如图2所示，灰色表示无扰动的光纤段，红色段表示有扰动的光纤段。红色段的布里渊频率由于扰动的影响而偏离了灰色段光纤的值。因此，当脉冲光和探测光在两种光纤中发生布里渊交互时，其交互强度不同。为方便描述，先假设10 ns脉冲(对应的交互长度为1 m)在灰色光纤中产生的布里渊信号强度为1，红色光纤中为0，采样间隔设为1 m。因此可以得到10 ns时各采样点信号，如图2中所示。

图2 90 ns脉冲检测布里渊增益的细分分析Fig.2 Subdivision analysis of Brillouin gain detected by 90 ns pulse.Nine-multiple subdivision was carried out

接下来根据划分叠加的理论，可以依次推导出其他脉宽下各采样点的布里渊信号强度。这里推导模型中以90 ns为例，90 ns脉冲情况下，每个采样点的能量强度对应9 m光纤对应的布里渊信号强度，根据前面的假设知道交互经历1 m时的能量强度，可以依次推导出90 ns下各个采样点能量强度，具体过程如图2中所示。

类似地，可以得出其他脉宽下(30 ns、50 ns、70 ns)每个采样点的布里渊信号强度。将其进行归一化后，画出每个脉冲下的布里渊增益曲线。如图3所示。从图中可以看出，虽然空间分辨率不同(10 ns、30 ns、50 ns、70 ns、90 ns的空间分辨率分别为1 m、3 m、5 m、7 m、9 m)，但每条增益曲线波动的右侧完全重合。因此，对于相同的应变(温度)事件，不管采用多宽的泵浦脉冲进行探测，其布里渊信号在空间域的一个端点都保持不变(该点位于探测光入射端)。基于该特性，如果将泵浦光与探测光反向，则会得到该事件的另一个端点。由这两个端点即可对事件进行定位。

图3 不同脉冲宽度的布里渊增益仿真Fig.3 Brillouin gain simulation with different pulse widths

具体实现过程如图4所示。利用长脉冲对一个短的应变(温度)段进行探测，由BOTDA系统的工作原理可知，热点处的布里渊中心频率不同于背景光纤的布里渊中心频率，因此在布里渊频率范围内，探测到的信号强度会有所差异。差异段长度由系统的空间分辨率决定。由于使用长脉冲，差异段的长度会大于实际的热点长度，但是差异段的起始位置正好是热点的端点处，如图4中红色信号。利用这个现象只需改变探测光和泵浦脉冲光在待测光纤中的传播方向，就能确定热点另一端的位置，如图4中蓝色信号。通过上述两次测量后就可以实现对应变(温度)段起止点的准确定位，理论上该方法的空间分辨率仅受限于系统的采样间隔。该方法同样适用于布里渊光时域反射技术(BOTDR)。

图4 扰动探测工作原理；红线：起始点的探测，绿线：截止点的探测Fig.4 Disturbance detection working principle;red line:detection of starting point,green line:detection of cut-off point

3 实验验证

本节将上述方法用于应变测量，以验证该方法定位应变事件的准确性。首先是应变段的定位。实验使用的是标准的BOTDA系统，通过一个光开关来转换探测光和脉冲光的入射方向，其实验框图如图5所示。

图5 实验装置。EOM：电光调制器，EDFA：掺铒光纤放大器，RF：射频源，PS：扰偏器，PC：偏振控制器，ATT：衰减器，PD：光电探测器，FUT：待测光纤Fig.5 Experimental setup:EOM:Electro-Optical Modulator,EDFA:Erbium Doped Fiber Amplifier,RF:Radio-frequency generator,PS:Polarization Scrambler,PC:Polarization Controller,ATT:Attenuator,PD:Photodetector,FUT:Fiber under Test

使用工作在1550 nm，线宽为3 MHz的分布反馈(DFB)激光器作为光源。50/50的光学耦合器将光分成探测光和泵浦光。在泵浦光一端(57.4 mW)，电光调制器(EOM)由脉冲发生器和射频源驱动，以产生频移脉冲光束。射频源调制后脉冲信号具有双边带，但是使用可调滤波器来选择Stokes分量。偏振扰码器(PS)用于减少偏振相关的波动。掺铒光纤放大器(EDFA)用于通过三端口光环行器放大光纤中的泵浦脉冲。在探测光一端，连续光通过隔离器和可调光衰减器(ATT)发射到传感光纤的远端。可调光衰减器用于选择合适的入射光功率，避免探测光功率过大造成严重的泵浦消耗。使用光电探测器PD对探测光进行光电转换，高速数据采集卡(DAQ)对电信号进行快速的数据采集，数据的采集和EOM的信号发生器同步进行。扫频范围设置为300 MHz(从10.650到10.949 GHz)，频率步长为1MHz。探测光的时域信号由具有500 MHz带宽的DC耦合光电探测器探测。每个频率下的信号进行4096次平均。信号的采集和分析由设计的程序实时处理。

3.1 应变段定位

应变施加方案如图6所示，用光纤夹具对光纤上的一段施加应变，应变大小可由螺旋微调装置调节。整段光纤长24752m，布里渊中心频率为10.705GHz。应变段光纤长1m，其左侧和右侧端点分别位于距图6中光纤尾端41m和40m处。

图6 应变施加方案Fig.6 Strain sensing layout of the experiment

采样间隔设置为50cm，首先连续探测光(CW)从左端入射，泵浦脉冲光(Pulse)从右端入射，保持其它参数不变，以10 ns脉宽为间隔，依次测量20 ns到100 ns脉宽时的布里渊增益曲线，其结果如图7(a)所示。为了便于分析重叠点的位置，将其进行归一化，结果如图7(b)所示。此时应变的起始点处于信号的首端，在距光纤尾端40 m处，与实际施加的应变起点(40 m)一致。不同脉宽下的布里渊信号突变距离不同，对应于不同的空间分辨率。但是其信号起点都相同，与仿真结果吻合。从图7还可以发现，使用的脉冲越宽信号越强，有利于长距离传感。

图7 不同脉宽下的布里渊增益曲线Fig.7 Brillouin gain traces under different pump pulses

接下来改变连续探测光和泵浦脉冲光的入射方向，保持应变施加位置不变，重复上次测量。其结果如图8所示，此时探测到的应变段起点位置在距离光纤首端的24711 m处，即离光纤尾端41 m处，与实际施加应变的位置一致。因此，通过正反两次测量，对光纤中1m长的应变段进行了定位，证明了该方法的有效性。实验时分别使用了20 ns、30 ns……100 ns的脉冲，均能对1 m应变段进行定位。相比于图7中的结果，图8中布里渊增益曲线会出现明显的波动，主要是因为光纤尾端信噪比较差。

图8 改变脉冲入射方向后不同脉宽下的布里渊增益曲线Fig.8 Brillouin gain traces after pulse inverse under different pump pulses

3.2 应变大小测量

当泵浦脉冲宽度大于扰动长度时，会在事件点(温度、应变)附近处产生双峰布里渊增益谱BGS[12]，主峰表示背景光纤的信号分量，次峰表示扰动段的信号分量。当热点和背景光纤之间的布里渊频率偏移间隔很小时，即温度差异或应变很小时，该方法的布里渊频移分辨率非常有限。针对这个问题可以通过降低BGS的带宽，来增大频移(温度、应变)的测量范围。因为BGS是由原始布里渊谱和脉冲频谱卷积得到的，当脉冲达到一定宽度时，不会对自然布里渊谱造成展宽。本文提出的定位方法空间分辨率不受脉冲宽度的限制，可以选择较宽的脉冲来避免频谱的展宽，以此获得较大的频率测量范围。因此在选择脉冲宽度时，需要保证频谱不会过度展宽。

实验测量了不同脉冲方案下布里渊增益谱的半高宽(FWHM)数据，如图9所示，发现当脉冲宽度大于50 ns时其谱宽接近于原始布里渊增益谱，可以认为，此时展宽很小，几乎可以忽略。选择50 ns的脉冲对图6中的应变段进行测量，扫频范围为350 MHz，扫频间隔为2 MHz，采样间隔和前面实验保持一致。由于布里渊信号会随着光纤长度的增加而衰减，为了减小测量误差，选择了应变段在光纤布里渊增益信号首端的方案，此时信号的信噪比较高，得到的整段光纤三维增益谱如图10(a)所示，可以清晰的看到首端的应变处的信号。应变附近的三维BGS如图10(b)示，由于使用50 ns的脉冲，可以明显的看出大约41 m至46 m出存在一段5 m的应变段。因为实际应变大小仅为1 m，因此可以看出该位置明显出现双峰。

图9 布里渊增益谱宽随脉冲宽度变化的曲线Fig.9 Curve of Brillouin gain spectrum width as a function of pulse width

图10 整段和应变段处光纤的布里渊三维增益谱Fig.10 Brillouin three-dimensional gain spectrum of the entire and strain segment fiber

取应变段43 m处的布里渊增益谱进行应变分析，结果如图11示。由于50 ns的脉冲的使用，布里渊频谱几乎不展宽，双峰BGS完全可以分辨。

图11 应变处的BGS曲线Fig.11 The BGS of strain fiber

通过洛伦茨双峰拟合得到，应变处的布里渊频移为94 MHz，对应为1880个微应变(应变系数为0.05MHz/με)，频移测量误差为1.8MHz，对应的应变不确定度为36 με。需要注意的是，虽然使用长脉冲可以增大频率测量的范围，但由于原始布里渊增益谱的半高宽为35 MHz左右，限制了测量时的应变大小不能低于700 με(0.05MHz/με)。如果应变太小，应变造成的次峰频移也较小，主峰和代表应变的次峰相互重叠，此时无法准确的获得应变的大小。因此，对于该技术，最小可探测的扰动应该能够引起远大于主BGS带宽的频移。

4 结论分析

论文利用不同脉宽的布里渊信号端点重叠的现象，提出一种新的定位方法，用20 ns、30 ns……100 ns的脉冲对24752 m长光纤中1m长的应变段进行了定位。该方法的空间分辨率与脉冲宽度之间没有直接联系，空间分辨率由系统的采样间隔决定，克服了泵浦脉冲宽度对空间分辨率的限制。研究了不同脉宽对谱宽的影响，选用50 ns的脉冲测量了光纤尾端1 m应变段的应变大小，对应的应变测量不确定度为36 με。需要指出的是，由于当扰动事件长度小于脉冲宽度对应的空间分辨率时会出现双峰现象，频移过小会造成双峰重叠在一起无法分辨，因此要保证布里渊谱宽尽量窄，并且频移范围大于布里渊谱的谱宽。该方法中,空间分辨率与泵浦脉冲宽度无关，可避免使用短脉冲时出现的交互强度变弱、布里渊频谱展宽的缺陷，具有很高的应用价值。