低溫長距離光纖傳感系統研究范文

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《中國公路學報》2015年第十二期

摘要：

針對目前青藏高原多年凍土區高速公路工程構筑物監測急需解決的問題，提出了低溫條件下長距離監測的分布式布里淵光纖監測傳感技術方案，并使用差分脈沖布里淵光時域分析（DPP－BOTDA）技術在單模光纖中開展了分布式光纖傳感試驗研究。使用120ns／100ns和110ns／100ns脈沖對組合在50km光纖傳感長度上進行試驗，研究2種脈沖對組合對應的布里淵增益譜、布里淵頻移和信號的信噪比，探索了低溫條件下長距離監測的分布式布里淵光纖技術空間分辨率和測量精度的關系。結果表明：試驗得到的光纖傳感系統具有50km傳感距離，1m空間分辨率和6．552×10－6應變傳感精度，彌補了中長距離傳感范圍研究的空白。

關鍵詞：

道路工程；光纖傳感系統；DPP－BOTDA；受激布里淵散射；長距離傳感；空間分辨率

青藏高速公路穿越高原腹地多年凍土區，自然環境復雜，年均氣溫－3℃～－5℃，晝夜和早晚溫差大，對路基、路面造成了嚴重損害，對人民的生命和財產構成了巨大威脅。因此，對青藏高速公路路基、路面等關鍵位置進行監測的任務迫在眉睫。青藏高速公路地處高原地區，地形復雜、自然環境條件惡劣、氣溫低、生態環境保護要求高，這大大增加了布置傳感器的難度，且高速公路動輒數十km，中途穿越隧道、無人區，因此，需要尋求一種布線簡單，適應于低溫、長距離，且能在惡劣環境下存活的傳感器。光纖作為一種以光為媒介的傳感器，抗電磁干擾能力強，能夠適應惡劣的自然環境且損耗低，適用于長距離傳感。光纖本身既是信號的傳輸通道，又是傳感器。現階段最新的光纖傳技術可以實現2cm空間分辨率［1］和150km傳感距離［2］，以及幾十Hz的分布式動態測量技術，可以解決長距離、高空間分辨率等高速公路急需解決的結構健康監測的技術難題。目前，國內有關分布式光纖傳感技術在高速公路方面的應用研究較少：李麗芳［3］使用光纖分布式溫度監測系統（DTS）對廣州汕梅高速公路北斗—清潭段進行了應用研究；劉玉濤［4］使用布里淵光時域反射技術進行了路基沉降變形監測的相關研究。基于受激布里淵散射的光纖可以同時對外界環境進行溫度和應變的分布式探測，因而廣泛應用于高速公路以及土木工程的結構健康監測中。分布式布里淵光纖傳感器以光纖作為傳光介質和傳感單元，可以實現對待測目標在空間上連續的應變測量，且布線簡單、易于組網，具有測量距離長和空間分辨率高的特點，因此非常適用于高速公路這樣的長距離、大尺度構筑物的路基、路面的健康監測。

基于受激布里淵散射的分布式光纖傳感器最早于1989年被提出來［5］，經過這些年的發展以及眾多研究者的不懈努力，該光纖傳感系統被不斷改進，Li等［6］首次提出差分脈沖對（DifferentialPulse－widthPair，DPP）技術提高布里淵光時域分析（BOTDA）系統的空間分辨率，試驗上分別使用50ns／49ns脈沖對獲得0．18m空間分辨率和20ns／19ns脈沖對獲得0．15m空間分辨率，光纖長度1km，布里淵頻移（BrillouinFrequencyShift，BFS）精度2．6MHz。空間分辨率不是由脈沖對差值決定，而是由脈沖對的上升和下降時間決定。Dong等［7］使用差分脈沖布里淵光時域分析（DPP－BOTDA）技術實現了12km的傳感距離，其空間分辨率為1m，布里淵增益譜（BrillouinGainSpectrum，BGS）寬33MHz，布里淵增益信噪比超過10ns脈沖的7倍。Minardo等［8］對單脈沖和雙脈沖與空間分辨率的關系進行了數值仿真分析，基于BGS的形狀重新定義了空間分辨率，同時研究了脈沖的上升和下降時間對空間分辨率的影響。

Dong等［1］對DPP－BOTDA技術進一步優化，使用8．0ns／8．2ns脈沖對在2km光纖長度上實現2cm空間分辨率，溫度傳感精度為2℃。Minardo等［9］指出BFS和BGS的浮動對DPP－BOTDA傳感精度造成影響，強調差分脈沖對的信噪比對BGS的變化非常敏感，特別是在脈沖對差值較小時，并且提出一種提高測量精度的補償方法。目前，基于布里淵散射原理的分布式光纖傳感技術在高速公路領域的應用研究還沒有相關報道。本文以青藏高速公路為研究對象，使用DPP－BOTDA技術在單模光纖中進行分布式光纖傳感研究。分別使用120ns／100ns和110ns／100ns脈沖對組合在50km光纖傳感長度上進行試驗，研究2種脈沖對組合對應的BGS，BFS及其信號的信噪比，探索空間分辨率和測量精度的關系。

1DPP－BOTDA技術原理

布里淵光時域分析技術包括2束反向傳播的光波，即泵浦光和探測光。泵浦光和探測光的頻率差被稱為BFS，布里淵散射光的光譜被稱為BGS。通過逐步改變泵浦光和探測光的頻率差，使其在BFS附近變化，就可以獲得BGS。由于光纖中每點的BFS與該點的受力狀態和溫度變化有關，通過對BGS中心頻移的解調，便可得知該點處溫度或應變的大小。通常，泵浦光為脈沖光，探測光為連續光，脈沖光的寬度決定分布式探測的空間分辨率。泵浦光在光纖中傳播時與探測光相互作用，光纖中各點依次發生受激布里淵散射效應，產生斯托克斯光。通過計算斯托克斯光與泵浦光的時間差，便可在時域上進行分析。信號中每個時間點所對應光纖中的位置z為。在BOTDA系統中，要想提高系統的空間分辨率，一種有效的方法是減小泵浦脈沖寬度。然而窄脈沖的譜非常寬，這會導致BGS展寬，從而降低測量精度；另一方面，由于受到光纖中聲子壽命（10ns）限制，在BOTDA系統中很難實現1m以下的空間分辨率。DPP－BOTDA技術使用2個連續的脈沖注入光纖，通過對所獲得的布里淵信號在時域上做差，達到提高空間分辨率的效果。通常2個脈沖的寬度可以為幾十ns至上百ns，2個脈沖寬度差值為幾ns甚至零點幾ns，這樣既可以提高信號的信噪比，又可以提高空間分辨率。在DPP－BOTDA技術中，2個脈沖寬度越大，差分信號就越強，BFS測量精度越高；另一方面，2個脈沖寬度差越小，空間分辨率越高，BFS測量精度越低。除此之外，脈沖對的上升和下降時間應該小于等價脈沖對差的時間。

2試驗裝置

圖1為DPP－BOTDA試驗裝置。圖1中試驗裝置工作原理大致如下：分布反饋式光纖激光器發出的1550nm激光通過50％∶50％耦合器被分成2路光，即泵浦光和探測光；下路泵浦光經過偏振控制器后被調制成線偏振光，然后進入電光調制器，在電腦控制下，通過任意函數生成器將泵浦光調制成連續的脈沖光；擾偏器將其偏振態隨機擾亂以減小偏振態導致的測量誤差；摻鉺光纖放大器將其放大，然后進入待測光纖；上路探測光在直流源和微波源共同作用下被電光調制器調制成3種光，即上、下一階邊帶和被抑制的載波；探測光經過衰減后進入待測光纖；泵浦光與探測光在傳感光纖中發生受激布里淵散射，探測光的下一階邊帶被窄帶光纖布拉格光柵濾出，隨后，斯托克斯光通過光電探測器轉換成電信號，并由示波器顯示。

3試驗結果與討論

圖2為泵浦光和探測光頻差為10832MHz時，示波器上DPP－BOTDA時域信號和脈沖對為120ns／100ns時的加熱區域時域信號。光纖總長度為50km，由2段25km的光纖組成。泵浦光功率為278mW，探測光功率為1．82mW。示波器采樣頻率200MHz，信號平均采集2000次。掃頻范圍為10780～10960MHz，步長為4MHz。由圖2（a）可以看出，在信號中間處信號強度略有差異，說明光纖兩端的BFS略有不同。在傳感光纖的尾端，將2段長度為3m間隔為4m的光纖放入高溫爐內加熱至60℃，室溫為29℃，其時域信號見圖2。由于2段3m受熱光纖的布里淵中心頻移高于其他未受熱光纖，因此在信號尾端存在2段信號的偏移，表明受熱部分的信噪比較好。在光纖尾端可以清晰觀察到信號強度仍有較大落差。

泵浦光和探測光頻率差設定為10832MHz時，120ns／100ns布里淵時域信號差分過程如圖3所示。由圖3可知：脈沖寬度為120ns的布里淵信號上升區域對應空間分辨率為12m；脈沖寬度為100ns的布里淵信號上升區域對應空間分辨率為10m；120ns布里淵信號與100ns布里淵信號差分所獲得的時域信號對應空間分辨率為2m。所獲得的BGS三維圖如圖4所示。由于光纖長度為50km，此處僅給出光纖最后300m左右的BGS三維圖。由于使用差分脈沖技術，BGS信噪比較單脈沖技術獲得的信噪比有所降低，但仍然可以有效測量由圖5（a）可知，光纖BFS曲線的上升沿為2m，表明差分脈沖對技術可以實現2m的空間分辨率，光纖兩端的波形差異主要由擬合誤差所致。由圖6（a）可以看出，未加熱時光纖的BGS的增益強度信噪比要高于加熱時光纖的信噪比。高溫爐內光纖的BGS存在2個峰值，第1個峰值與未加熱時光纖BGS的峰值相同，這主要由電光調制器（EOM）在調制泵浦脈沖光時殘留的連續光所致，在實際測量中可以將其排除掉；第2個峰值受熱光纖BGS的BFS為10864MHz，光纖BFS從室溫29℃時的10832MHz上升到高溫度內60℃時的10864MHz，對應溫度系數約為1．03MHz•℃－1，這與文獻［1］中的結果基本一致。

110ns／100nsBFS如圖5（b）所示，光纖BFS上升沿為1m，對應1m空間分辨率，這與理論符合較好。未受熱部分光纖的BFS為10830MHz左右，與120ns／100ns時的BFS基本一致；然而受熱部分光纖的BFS為10850MHz，較120ns／100ns時光纖的BFS減小了10MHz左右，這主要是由于擬合時產生的誤差導致的。圖6（b）中加熱光纖的BGS仍存在2個峰值。隨著脈沖對差值的減小，差分信號的信噪比逐漸降低，導致泵浦脈沖光中直流連續光分量所產生的BGS在整體中所占比重逐漸增加，這也是圖5（b）中BFS擬合出現較大偏差的主要原因。

由圖5，6可得，泵浦脈沖光為120ns／100ns時，傳感光纖BGS的線寬為38MHz，BFS為10832MHz，測量標準誤差為0．283MHz，對應的溫度和應變傳感精度分別為0．283℃和5．903×10－6；泵浦脈沖光為110ns／100ns時，傳感光纖BGS的線寬（半高前寬）為44MHz，測量標準誤差為0．319MHz，對應的溫度和應變傳感精度分別為0．319℃和6．552×10－6。隨著差分脈沖對間隔的減小，DPP－BOTDA技術的空間分辨率逐漸提高；所獲得的BGS信噪比逐漸降低，探測精度逐漸下降。這說明空間分辨率越高，信噪比越低，測量精度越低。DDP－BOTDA技術可以提供更窄的BGS，具有更高的空間分辨能力，但由于受限于信號的信噪比，其測量精度較低。實際測量結果表明，DPP－BOT－DA技術在空間分辨率和測量精度之間存在交換關系。也就是說，空間分辨率越高，測量精度越低；反之，測量精度越高，分辨率越低。目前可以實現的最高空間分辨率為2cm（傳感長度為2km），最長傳感距離為150km（空間分辨率為2m），可以看出，空間分辨率和傳感距離很難同時兼顧。本文的試驗結果（即50km傳感距離為50km，空間分辨率為1m，溫度和應變傳感精度分別為0．319℃和6．552×10－6），可以彌補中長距離傳感范圍研究的空白，為后續研究提供參考。另外，文獻［10］中使用相干布里淵光時域分析技術僅實現的空間分辨率為3m，傳感距離為40km，溫度精度為1．8℃。

4結語

（1）試驗使用差分脈沖布里淵光時域分析技術在單模光纖中進行了分布式光纖傳感試驗研究，得出了不同脈沖對組合對光纖的BFS，BGS和信號信噪比的影響以及空間分辨率和測量精度的關系。（2）所研究的光纖傳感系統的傳感距離為50km，空間分辨率為1m，溫度和應變傳感精度分別為0．319℃和6．552×10－6，彌補了中長距離傳感范圍研究的空白，為后續研究提供了參考。（3）在未來的研究中，需使用高消光比電光調制器提高信噪比，降低擬合誤差，提高測量精度，延長傳感距離。

作者：張娟 李金平 董永康 單位：中交第一公路勘察設計研究院有限公司 哈爾濱工業大學 航天學院