超低温环境下光纤布里渊频移特性研究

刘桔阳，张 杨，侯广厦，廖 韬，高 涵

（1.中国空间技术研究院； 2.北京卫星环境工程研究所； 3.航天东方红卫星有限公司：北京 100094）

0 引言

分布式传感技术[1-3]采用高绝缘、化学性能稳定的光纤作为传感元件，可在保证安全性的前提下实现长距离连续检测，同时避免点式传感技术中传感器数量太多的问题。布里渊光时域分析（BOTDA）是典型的分布式传感技术之一，最初由Horiguchi 等[4]提出，通过准确测量提取布里渊频移解耦获得光纤周围环境的分布式温度和应变信息[5-7]。

BOTDA 的原理是：在传感光纤的两端分别注入泵浦脉冲光和连续信号光，当泵浦光的强度高于受激布里渊散射的阈值时产生受激布里渊散射，散射光相对于泵浦光的频率差即布里渊频移（BFS）；而外界温度T和应变ε与光纤的物理特性（折射率、泊松比、杨氏模量和介质密度）之间存在对应关系，即与光纤的BFS 之间存在对应关系。根据Parker等[8]的研究，温度和应变与BFS 之间存在强线性关系，通过测量光纤各处的BFS 就可计算全光纤沿线的分布式温度和应变。

大部分国产及进口的标准单模光纤的工作环境温度范围不超过-75～100 ℃，例如康宁SMF-28e+光纤的正常工作环境温度范围为-60～85 ℃，在超低温或温差较大的环境中光纤的微弯损耗将急剧加大，严重时甚至会导致传感器失灵。目前，国内对低温分布式布里渊传感系统的研究还较少，已有传感系统的测试温度远远不能满足航空航天领域的超低温应用需求[9-11]。2013 年，中国科学院上海光学精密机械研究所的黄文发等[12]研究了温度对受激布里渊散射阈值的影响，结果为温度越低阈值越高；2015 年，中交第一公路勘察设计研究院有限公司的张娟等[13]提出了针对青藏高原冻土公路的DPP-BOTDA 方案，实验温度为-3～-5 ℃。

本文针对空间环境特点设计了冷热冲击和浸泡实验来研究2 种典型标准单模光纤的热稳定性和耐寒性，获取光纤在-196 ℃超低温下的布里渊散射特性；通过高低温箱标定光纤的温度系数；通过自行设计的拉伸台解决受试段光纤温度和形变同时控制的难题，标定了光纤的应变系数；对实验结果进行对比分析，以确定BOTDA技术是否可应用于超低温环境下温度和应变测量。

1 实验材料及装置

实验系统（见图1）中选用的光纤为G.652D 标准单模光纤，可用波段范围宽，可灵活应用于各种测量系统中，是目前国内应用最广泛的光纤之一。该光纤1550 nm 波长处的最大衰减为0.20 dB/km，包层直径为125 μm，涂层直径为250 μm，采用双层丙烯酸酯涂敷技术。实验中所用的光纤为：光纤1涂覆层外无紧护套（以下简称裸纤）；光纤2 是在光纤1 的基础上直接二次套PVC 塑料的紧套光纤（以下简称紧套纤）。

图1 实验系统组成示意Fig.1 Schematic of experimental system

1.1 低温性能测量装置

光纤受激布里渊散射低温性能测量装置如图2所示。测量时，先将待测光纤的两端分别接入BOTDA 解调仪的PUMP 和PROBE 接口，受试段光纤（FUT）解缠绕后松弛放置于液氮容器中；然后向容器中加注液氮，并使FUT 被完全淹没，通过控制添加液氮的方式和频率可进行冷热冲击和浸泡实验。液氮容器下的蓝色隔温垫是用来防止实验时-196 ℃的液氮损伤地板。

图2 光纤的低温性能测试装置Fig.2 Low temperature performance testing device for optical fibers

1.2 温度系数标定装置

温度系数标定装置如图3 所示，包括BOTDA解调仪和控温精度为0.1 ℃的高低温实验箱。将裸纤和紧套纤用熔接机连接起来整盘放置于高低温箱中，2 个跳线端从箱体左侧的引线孔穿出接入BOTDA 解调仪。为确保光纤的温度与箱内温度完全一致，在箱内温度达到目标温度10 min 后再进行测量。测温范围为-25～25 ℃，温度间隔为5 ℃。实验时，先将温度从25 ℃逐步降至-25 ℃，再将温度逐步升回25 ℃。

图3 光纤的布里渊频移温度系数标定装置Fig.3 BFS temperature coefficient calibration device for optical fibers

1.3 应变系数标定装置

应变系数标定装置如图4 所示，包括BOTDA解调仪、手动高精度（μm 级）拉伸台、激光测距仪（测量精度1 μm）、日本岛电SR23 温控仪（控温精度0.1 ℃）和上位机。将温控仪的加热线均匀缠绕于拉伸台的1 m 长的细钢管上，光纤的一端穿过细钢管后与另一端同时接入BOTDA 解调仪。通过温控仪和拉伸台调整FUT 的温度和应变，实际温度和应变可通过温控仪的显示器和与激光测距仪配对的上位机软件读出。1.03 m 长的受试光纤形变范围为0～1000 μm，裸纤的形变间隔为50 μm，紧套纤的形变间隔为100 μm，包括拉紧和放松两种应变。

图4 光纤的布里渊频移应变系数标定装置Fig.4 BFS strain coefficient calibration device for optical fibers

2 结果分析与讨论

2.1 光纤的低温布里渊频移特性

本实验的超低温环境由液氮提供，常压下液氮的温度为-196 ℃。为防止添加或倾倒液氮的动作影响实验结果，液氮的增减采用从容器侧边缓缓注入和自然挥发的方式。冷热冲击实验使光纤在液氮（-196 ℃）和室温（25 ℃）环境间反复切换，浸泡实验使光纤在液氮中完全浸泡5 h，实验结果分别如图5 和图6 所示。

图5 冷热冲击实验结果Fig.5 Thermal shock test results

图6 浸泡实验结果Fig.6 Immersion test results

图5(a)给出了受试光纤进行冷热冲击实验后形成的布里渊增益谱（BGS），可以看出，裸纤和紧套纤仍能形成洛伦兹形状的散射谱。由图5(b)可以看出：在经历2 轮液氮浸泡（常温→超低温）、液氮挥发（超低温→常温）的环境温度交替冲击后，2 种光纤的光学性能未下降，也未产生不可逆损伤。裸纤在室温和-196 ℃环境中对应的BFS 分别为10.846 8 GHz 和10.608 0 GHz，每℃对应的频移为1.08 MHz；紧套纤在室温和-196 ℃环境中对应的BFS 分别为10.824 6 GHz 和10.311 3 GHz，每℃对应的频移为2.32 MHz。2 种光纤之间的差异是由紧护套的热胀冷缩引起的。冷热冲击实验结果表明，光纤在-196 ℃低温环境下仍然可扫描得到布里渊增益谱，2 轮冷热冲击后光纤BFS 的变化方向和幅值与冲击实验前相比没有变化，表明这2 种光纤具备低温测量的可重复性。

对比可见图6(a)与图5(a)的结果一致，表明受试光纤在液氮低温中浸泡5 h 后不影响其增益谱的形状。对比图5(b)和图6(b)可以看出，相同温度下，2 种光纤在浸泡实验中的BFS 与其在冷热冲击实验中的BFS 一致，且不随着浸泡时间的延长而发生变化，说明长期超低温环境不会改变光纤的布里渊频移特性，BFS 值只与环境温度有关。浸泡实验结果表明，这2 种光纤具有优良的耐寒性和热稳定性。

2.2 温度系数标定

BOTDA 系统中，BFS 与温度成线性关系[8]；获得不同温度下光纤的BFS，通过最小二乘法进行线性拟合的直线斜率即为光纤的温度系数。若光纤在升温和降温中拟合的直线重合，则表示BFS 不存在温度响应迟滞；反之，则表示BFS 存在迟滞效应。

图7 为裸纤的标定结果，红色曲线代表温度上升，蓝色曲线代表温度下降，可以看到两拟合曲线基本重合，即上升和下降时的温度系数相等，均为1.16 MHz/℃，不存在迟滞效应。图8 为紧套纤的标定结果，同样地，红色和蓝色曲线分别对应温度上升和下降，可以看到紧套纤的迟滞效应较明显，温度上升时的温度系数为2.73 MHz/℃，下降时的温度系数为2.61 MHz/℃。推测其原因是光纤温度未完全达到设定温度所致——在温度下降过程中光纤温度高于设定温度，而温度上升过程中光纤温度低于设定温度；且紧套纤还叠加了紧护套热胀冷缩及光纤盘上预应力的影响。

图7 裸纤温度系数标定结果Fig.7 Temperature coefficient calibration results of bare fibers

图8 紧套纤温度系数标定结果Fig.8 Temperature coefficient calibration results of tight sleeve fibers

2.3 应变系数标定

BFS 与光纤的应变成线性关系[8]：当应变为0 时，BFS 只与温度有关；当应变不为0 时，BFS 由温度和应变共同决定。本部分实验探究光纤在不同温度下的应变系数是否相同、是否存在迟滞效应。而标定光纤的应变系数须先准确找到其应变为0的临界点——在一定温度下，先使受试段光纤保持初始松弛，然后慢慢拉紧，当BFS 发生变化时认为光纤处于应变为0 的临界点。应变ε和形变ΔL的关系为

其中L为受试段光纤长度，L=1.03 m。获得一定温度、不同形变下光纤的BFS，通过最小二乘法进行线性拟合的直线斜率即为光纤的应变系数。

图9 与图10 分别为裸纤和紧套纤的应变系数标定结果，蓝色曲线代表光纤逐渐拉紧时，红色曲线代表光纤逐渐放松时。可以看出：在温度一定的情况下，形变量越大，BFS 越大；BFS 与形变成明显的线性关系；无论裸纤还是紧套纤，同一温度下两拟合曲线基本重合，即同一形变下BFS 一致，与光纤是逐渐拉紧还是逐渐放松无关，不存在迟滞效应。经标定，裸纤的平均应变系数为0.023 7 MHz/με，紧套纤的平均应变系数为0.028 9 MHz/με。

图9 裸纤应变系数标定结果Fig.9 Strain coefficient calibration results of bare fibers

图10 紧套纤应变系数标定结果Fig.10 Strain coefficient calibration results of tight sleeve fibers

3 结束语

本文通过冷热冲击和浸泡实验验证了BOTDA在-196 ℃的超低温环境中仍能正常使用，丙烯酸酯裸纤和紧套纤的BFS 在超低温环境中具备热稳定性。此外，标定了这2 种光纤的温度系数和应变系数，结果显示：紧套纤的温度系数高于裸纤的温度系数，说明紧套纤对温度变化更加敏感；紧套纤的应变系数高于裸纤的应变系数，说明紧套纤对应变变化更加敏感。同时，紧套纤在使用过程中具备更小的弯曲半径，机械性能优于裸纤，且没有出现紧护套和纤芯错位现象，表明其更适用于复杂、恶劣环境的温度和应变测量。