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近些年,分布式布里渊光纤传感因具有分布式应变和温度的测量能力, 以及在结构健康监测领域的重要应用而受到广泛的研究。在多种传感方案中, 布里渊光时域分析(BOTDA)技术具有信噪比好、空间分辨率高、传感距离远等优点, 受到广泛关注。传统的BOTDA系统平均和扫频过程比较费时, 只适宜进行静态或缓慢的应变测量。通过分析BOTDA系统的分布式传感原理, 总结了限制其快速分布式传感测量的主要因素。针对这些限制因素, 综述了近期快速BOTDA系统取得的一系列的进展, 主要包括基于偏振补偿技术的快速BOTDA系统、基于光学捷变频技术的快速BOTDA系统、基于斜坡法的快速BOTDA系统、基于光学啁啾链的快速BOTDA系统、基于光学频率梳技术的快速BOTDA系统, 指出通过单一或者多个新技术组合而成的快速BOTDA系统具有更好的性能和更广阔的应用前景。
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资源评论
第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
收稿日期
收到修改稿日期
基金项目
国家重大科学仪器开发专项
国家自然科学基金
作者简介
周登望
男
博士研究生
主要从事光纤传感和微波光子学方面的研究
导师简介
董永康
男
博士
教授
博士生导师
主要从事非线性光学
光纤传感和结构健康监测方面的研究
通信联系人
用于动态应变测量的快速分布式布里渊光纤传感
周 登 望
,
王 本 章
,
巴 德 欣
,
徐 金 龙
,
徐 鹏 柏
,
姜 桃 飞
,
张 东 昱
,
李 惠
,
董 永 康
哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家重点实验室
黑龙江 哈尔滨
哈尔滨工业大学土木工程学院
黑龙江 哈尔滨
摘要
近些年
分布式布里渊光纤传感因具有分布式应 变和 温 度的 测量 能 力
以 及在 结构 健 康监 测领 域 的重 要应
用而受到广泛的研究
在多种传感方案中
布里 渊光 时域 分 析
技 术具 有信 噪 比好
空 间分 辨率 高
传 感
距离远等优点
受到广泛关注
传统的
系统 平均 和扫 频 过程 比较 费 时
只 适宜 进行 静 态或 缓慢 的 应变 测
量
通过分析
系统的分布式传感原理
总结了限制其快速分布式传感 测量 的主要 因素
针对 这些 限制因
素
综述了近期快速
系统取得的一系列的进展
主要包括基于偏 振补 偿技术 的快 速
系统
基于 光
学捷变频技术的快速
系统
基于斜坡法的快速
系统
基于 光学 啁啾链 的快 速
系统
基于
光学频率梳技术的快速
系统
指出通过单一或者多个新技术组合而 成的 快速
系统 具有 更好的 性
能和更广阔的应用前景
关键词
传感器
非线性光纤光学
受激布里渊散射
振动分析
中图分类号
文献标识码
doi
FastDistributedBrillouinO
p
ticalFiberSensin
g
for
D
y
namicStrain Measurement
NationalKe
y
Laborator
y
o
f
ScienceandTechnolo
gy
onTunableLaser
HarbinInstituteo
f
Technolo
gy
Harbin
Heilon
gj
ian
g
China
Schoolo
f
CivilEn
g
ineerin
g
HarbinInstituteo
f
Technolo
gy
Harbin
Heilon
gj
ian
g
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
光
学
学
报
引
言
自
世纪
年代以来
伴随着激光 器和光纤
的发明及应用
光纤传感 技 术也快速 发 展起来
目
前
光纤传感技术已广泛应用于土木结构健康监测
现代工业控制及国防安全等诸多领域
与传统电阻
式
电容式等电子传感技术相比
光纤传感技术具有
很明显的优势
光纤既是损耗很小的传光介质
又
是灵敏的传感器件
可以认为 是 由成千上 万 个传感
单元串联而成
因此 能 够进行长 距 离和分布 式 的传
感测量
光纤易于接入 全 光网络
而且质量 轻
体
积小
便于布设
光纤具有 抗 电磁干扰
耐腐蚀的
特性
能够在恶劣的环境下测量
光纤传感器具有
分辨率高
灵敏度高
测量范围宽等优点
由于光
纤传感器具有以上 优点
因此在现 代 化的工程 项 目
中
都离不开各式各样 的 光纤传感 器
值得注意 的
是
在现代工业及基础设施的结构健康监测中
急需
一种可以实时监测应变或温度信息的分布式超快测
量技术
因而光纤传感器可以应用于此
自
世纪
年代以来
基于布里渊 散射的分
布式光纤传感器被广泛报道
通常地
两束光波
抽运光和探测光
相向注入待 测光纤
当两
束光 波 的 频 率 失 谐 量 接 近
的 布 里 渊 频 移
时
由于受激布里 渊 散射
效应
光能
量从 高 频 光 波 转 移 到 低 频 光 波
布 里 渊 增 益 谱
可以通过扫 频 获得
再通过洛 伦 兹 曲 线 或 高
斯曲线拟合获得光纤的
值得注意 的 是
由于
和光纤的应变及温度 呈 线 性 关 系
因 此
可以通过解调
来计算出对应的应变或温度
基于 布里渊散射 的光纤传感 方案主要包 括
布
里渊光时域分析
技术
布里渊光时域
反 射
技 术
布 里 渊 光 相 关 域 分 析
技 术
布 里 渊 光 相 关 域 反 射
技 术
布 里 渊 光 频 域 分 析
技术
和布里渊光频域反射
技术
采用反射技术的光纤传感 方案
其布里渊
信号较弱
信噪比
差
采用光相关域技术的光
纤传感方案
通常采用点式传感
需要通过扫描相关
峰
传感点
的 位 置
才 能 获 得 分 布 式 的 应 变
或温度测量
这样会极大地限制动态应变的采样率
采用光频域技术的 光纤传感 方 案
光波调制 及 解调
算法较复杂
本文主要 针 对 传 统 的
系 统 测 量 时 间
较长
仅适用于静态或缓慢变化应变测量的局限
从
理论上分析
系 统
并 综 述 近 些 年
系统在快速分布式应变测量方面的进展
基本原理
21
受激布里渊散射
光束 通过某一介 质
当传输介质 光学特性不 均
匀时
就会产生光散 射 现象
当入射光 功 率 超 过
受激布里渊散射阈 值时
入射光能 量 就会大量 转 移
给后向传播的散射光
斯托克斯 光
由于存在 多 普
勒效应
斯托克斯 光有一个
对于普通 的 单模
光纤
的公式为
ν
=
Ω
=
n
V
λ
式中
n
为光纤纤芯有效 折射率
V
为声波在 光 纤
中的传播速 度
λ
为 抽 运 光 波 长
值 得 注 意 的 是
的
与光纤轴向应变的改 变量和温度 的改
变量呈现出良好的线性关系
其表达式为
ν
=
C
ε
ε
+
C
T
T
+
ν
式中
C
ε
为应变系数
ε
为应变的改 变 量
C
T
为温
度系数
T
为温度的改 变量
ν
为初始 光 纤
在单一变量 的 情 况 下
通 过 测 量 光 纤 的
利 用
式可以计算出 对应的应变的 改 变量和温 度 的改
变量
22
系统的物理模型
图
传统的
系统原理示意图
时域关系
频域关系
传统的
系统
图
通常是基于
抽运
探测法
实现的
如图
所示
高频抽
运光调制成高峰值 功率的脉 冲 光
低频探测 光 为弱
功率的连续 光
抽 运 光 和 探 测 光 以 相 对 的 方
向注入
如图
所示
由于
效应
当抽
运光和探测光的 频 差 接 近
的
时
抽 运 光
的能量会转移给探测光
使得探测光放大
首先
由
光
学
学
报
于抽运光使用的是 脉冲光
因此通过 确 定探测光 放
大部分的起始点即可精准定位光纤的空间位置
对
位置的定位精度
即空间分辨率
cτ
n
与抽运脉
冲光的脉宽
τ
有关
然后
对探测光进行扫频
即可
获得
的分布式布 里渊增 益 谱
或布里渊
相移谱
最后
通过洛伦兹曲线或者高斯曲
线拟合的方法获得
从而计算出分布式应变
麦克斯韦波动方程可以描述抽运光和探测光的
光场
方程给出光纤介质 声波场的变
化
在忽略横向场变化并采用慢变包络近似的情况
下
系统可由以下三波耦合方程组描述为
E
z
+
n
c
E
t
=
g
ρ
E
-
α
E
-
E
z
+
n
c
E
t
=
g
ρ
E
P
-
α
E
ρ
t
+
Γ
ρ
=
g
E
E
ì
î
í
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
式中
E
为抽运光的 电场强度
c
为真空中的 光速
g
为光波的耦 合 系 数
ρ
为 光 纤 纤 芯 的 材 料 密 度
E
为探测光的电 场 强度
Γ
为声波场的衰减率
g
为声波的 耦 合 系 数
探 测 光 不 仅 经 历 了 布 里 渊 增
益
还经历了布里渊相移
具体公式为
g
ν
S
z
=
g
ν
B
ν
+
ν
B
P
ν
z
φ
ν
z
=
g
ν
B
ν
ν
+
ν
B
P
ν
z
式中
g
为 布 里 渊 增 益 中 心 因 子
ν
ν
ν
ν
为 探 测 光 的 频 率 失 谐 量
为 卷 积 运 算
P
ν
z
为 抽 运 脉 冲 光 的 功 率 谱
实 际 测 量 的
和
是由其本征谱与抽运脉冲光的功率谱
卷积所得
23
动态分布式应变测量的限制因素
由于传统 的
系 统 的 分 布 式 应 变 或 温
度的测量时间通常 需要数秒 到 数分钟
因此该系 统
适合于静态或缓慢 的应变测 量
应变的最 大 振动采
样率为
f
=
nL
c
+
T
æ
è
ç
ö
ø
÷
N
N
由
式 可 知
影 响 测 量 时 间 的 限 制 因 素
主
要有以下
个方面
的长度
L
当 探 测 光 扫 频 时
为 了 避 免
布里渊信号的重叠 问题
抽运脉冲 光 的重复频 率 应
小于
c
nL
平 均 次 数
N
为 了 增 强 布 里 渊 信 号 的
提高测量 精 度
如 果
是 保 偏 光 纤
则 平
均次数仅需要数十次
如果
是普通单模 光 纤
需要增加扰偏器来 消除偏振 噪 声的影响
则平均次
数需要高达数千次
这极大地限制了测量时间
有限 的 光 波 频 率 切 换 时 间
T
在 使 用 扫
频法测量分布式
时
由于光波频率的切换时间
通常是由电学调制 信号的频 率 切换时间 决 定的
因
此微波源输出的微波信号的切换时间通常为毫秒数
量级甚至更长
这极大地延迟了采集时间
扫频个数
N
为 了 测 量 完 整 的
或 大 的
应变
温度范围
需要扩大 扫 频范围
f
同时
如
果要获得更精确的
曲线
则需要更小的扫频间
隔
f
则光波的扫频个数为
N
=
f
f
限制因素
是固有限 制
决定了
系统
的动态测量极限 值
目前还没 有 突破的方 案
限制
因素
是普遍的限 制因素
也可以通 过 增加抽运 光
功率和探测光功率以增加
降低对平 均次数的
要求
另外
对于单 模光纤
可以通过 两 束正交偏 振
的探测光合成的布 里渊信号 来 消除偏振 噪 声
从而
降低平均次数
限制因素
中的光波频率切换时间
主 要 受 限 于 电 学 微 波 源 或 者 任 意 波 形 发 生 器
的性能
最近有报 道指出基于 高性能
的捷变频技 术
可 以 有 效 地 压 缩 光 波 频 率 切
换时间
对于限制因素
较 多 的 扫 频 个 数 会 增 加
采集的
的精度或增大应变变化范围
但是会限
制采集时间
最近有 报 道指出利 用 斜坡法可 以 增大
频率间隔
有效地减少扫频个数
用于动态应变测量的快速
的分类
到目前为止
为了提升
系统的动态 分
布式传感性能
研究人员提出很多改进方案
偏振补
偿技术
光学捷变频技术
斜坡法
光学啁啾链技术
光学频率梳技术等
相对应的 动 态传感系 统 分别介
绍如下
3.1
基于偏振补偿技术的快速
BOTDA
系统
由于
效 应 对 抽 运 光 和 探 测 光 的 偏 振 态 十
分敏感
因 此 使 得
系 统 中 会 产 生 偏 振 噪
声
对于普通的单 模光纤
通常需要 使 用扰偏器 和
数千次平均来减小 系统的偏 振 噪声
这极大地 增 加
了测量时间
限制了应 变 振动的采 样 率
针对限制
因素
年
等
提 出 一 种 利 用 平
衡探测技术
和正交的双边带
探测光
斯托
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