孫寶臣, 侯躍敏, 李 峰, 李劍芝*

(1.石家莊鐵道大學(xué) 大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所，河北 石家莊 050043；2.河北省減隔震技術(shù)與裝置工程技術(shù)研究中心，河北 衡水 053000)

光纖光柵與受激布里淵信號(hào)的耦合特性

孫寶臣1,2, 侯躍敏1, 李 峰1, 李劍芝1,2*

(1.石家莊鐵道大學(xué) 大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所，河北 石家莊 050043；2.河北省減隔震技術(shù)與裝置工程技術(shù)研究中心，河北 衡水 053000)

近年來(lái)，光纖布拉格光柵傳感器與全分布式光纖傳感器的融合技術(shù)受到了廣泛關(guān)注，然而光纖布拉格光柵與布里淵信號(hào)之間的耦合特性鮮有報(bào)道。本文研究了光柵類型、波長(zhǎng)、反射率及光纖的光致折射率對(duì)受激布里淵信號(hào)的影響規(guī)律，并探討了空間分辨率對(duì)光纖布拉格光柵定位功能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)中，光纖布拉格光柵處有尖銳的反射峰，而啁啾光柵、長(zhǎng)周期光柵及光致折射率變化的光纖處均未出現(xiàn)尖銳的反射峰；光纖布拉格光柵反射率與受激布里淵散射功率譜無(wú)關(guān)；當(dāng)光纖布拉格光柵的波長(zhǎng)接近1 550 nm時(shí)，對(duì)受激布里淵頻移測(cè)量的影響最大；在8 m的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，光纖布拉格光柵的定位誤差約為4 cm，并且與空間分辨率無(wú)關(guān)。

光纖布拉格光柵；受激布里淵信號(hào)；耦合規(guī)律；反射譜

1 引 言

全分布式光纖傳感技術(shù)以其長(zhǎng)距離(甚至可達(dá)上百千米)、無(wú)級(jí)連續(xù)測(cè)量的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程師的青睞[1-5]，尤其是基于布里淵散射的全分布式光纖傳感技術(shù)(BOTDA/R)已經(jīng)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注[6-8]，其空間分辨率可以達(dá)到厘米甚至毫米級(jí)別[9-11]。同時(shí)，光纖布拉格光柵(FBG)傳感技術(shù)具有高精度、可復(fù)用以及動(dòng)態(tài)測(cè)量的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[12-13]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將BOTDA/R與FBG結(jié)合，充分利用這兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)形成了BOTDA/R與FBG的混合系統(tǒng)[14-17]。例如J. Luo等人[14]將BOTDR與FBG結(jié)合，成功地實(shí)現(xiàn)了輸電線結(jié)冰和拉力的監(jiān)測(cè)；通過(guò)BOTDR與FBG組成的混合系統(tǒng)，文獻(xiàn)[15]獲得了20 km范圍的應(yīng)變分布情況和局部高精度應(yīng)變狀態(tài)；歐進(jìn)萍等人[16]基于智能鋼絞線開(kāi)展了鋼筋混凝土梁的預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測(cè)，并對(duì)比了FBG與BOTDA的測(cè)試效果；文獻(xiàn)[13]利用FBG的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)與BOTDA構(gòu)成了混合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以同時(shí)獲取動(dòng)態(tài)應(yīng)變和分布式靜態(tài)應(yīng)變；李劍芝等人[18]將FBG作為位置指示器用于BOTDA測(cè)試系統(tǒng)的精確定位。盡管FBG傳感器與全分布式光纖傳感器的融合技術(shù)研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但目前研究人員仍不清楚FBG與布里淵信號(hào)間的耦合特性，這嚴(yán)重限制了FBG與BOTDA融合傳感系統(tǒng)的應(yīng)用。

因此，本文將探討光柵類型、光纖布拉格光柵特性參數(shù)對(duì)受激布里淵信號(hào)的影響規(guī)律，同時(shí)研究了空間分辨率對(duì)光纖布拉格光柵定位效果的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

受激布里淵測(cè)試方法采用雙端測(cè)試，將光纖的一端接應(yīng)變分析儀的pump端，另一端接probe端，實(shí)驗(yàn)裝置及示意圖如圖1和圖2所示。當(dāng)光纖上有光柵時(shí)，泵浦光經(jīng)過(guò)光柵時(shí)發(fā)生反射，光柵的反射譜功率大于受激布里淵信號(hào)功率，因此可以在受激布里淵散射功率譜中觀測(cè)到光柵的反射峰。本實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要探索光柵與受激布里淵信號(hào)的耦合規(guī)律，分別進(jìn)行了光柵種類、光致折射率變化與光柵特性參數(shù)(反射率和波長(zhǎng))對(duì)受激布里淵散射功率譜與頻譜影響的實(shí)驗(yàn)，及不同空間分辨率下光柵定位精度的實(shí)驗(yàn)。

圖1 受激布里淵測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 1 Experimental instrument for stimulated Brillouin test

圖2 受激布里淵測(cè)試實(shí)驗(yàn)的光路系統(tǒng)Fig. 2 Optical path system of simulated Brillouin test experiment

采用的試驗(yàn)儀器為NEUBREX公司的NBX-6040A光纖應(yīng)變分析儀，其最小空間分辨率為10 cm。在儀器空間分辨率對(duì)光柵定位精度影響的試驗(yàn)中，空間分辨率分別設(shè)置為10，20，50，100 cm，其他實(shí)驗(yàn)均采用10 cm的空間分辨率。采樣速率設(shè)置為2×1015，采樣點(diǎn)為5 cm，光纖折射率的設(shè)置值為1.46。

實(shí)驗(yàn)中采用長(zhǎng)周期、啁啾和布拉格三種不同類型的光柵及具有光致折射率變化的光纖。長(zhǎng)周期、啁啾和光纖布拉格光柵的性能參數(shù)如表1所示，其光譜如圖3所示。同時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[19]可知，載氫光纖曝光后的折射率比未載氫光纖曝光后的折射率大，而且光纖折射率的改變隨著曝光時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。如圖4所示，本文選取載氫和非載氫光纖作為測(cè)試樣品，其曝光時(shí)間分別為10，30，60 s。

表1 不同類型光柵的性能參數(shù)Tab. 1 Characteristic parameters of different kinds of gratings

圖3 不同類型光柵的光譜。(a)長(zhǎng)周期光柵的光譜；(b)光纖布拉格光柵和啁啾光柵的光譜Fig. 3 Spectra of different kinds of gratings. (a) Spectrum of long period grating; (b) Spectrum of FBG and chirped grating

圖4 曝光致折射率改變光纖測(cè)試樣品Fig. 4 Test samples of optical fiber with different refractive index induced by exposure

在光柵反射率和波長(zhǎng)對(duì)受激布里淵散射(SBS)功率譜的影響實(shí)驗(yàn)中，將實(shí)驗(yàn)樣品分為3組，他們的性能參數(shù)如表2所示。通過(guò)對(duì)第3組樣品施加拉力來(lái)改變光柵波長(zhǎng)的方式，研究了應(yīng)變狀態(tài)下光柵波長(zhǎng)的變化對(duì)布里淵信號(hào)的影響。將光柵置于應(yīng)變區(qū)域，通過(guò)微米級(jí)滑動(dòng)平臺(tái)對(duì)其施加拉力，同時(shí)用SM125光柵解調(diào)儀精確跟蹤光柵波長(zhǎng)的變化。拉伸光纖的長(zhǎng)度為1 m，其兩端分別粘在承托板上，一端固定，另一端通過(guò)微米級(jí)滑臺(tái)進(jìn)行位移加載，光纖的一端接入BOTDA的probe端，另一端通過(guò)耦合器分別接BOTDA的pump端和光柵解調(diào)儀，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖5所示。

圖5 光柵特性參數(shù)對(duì)受激布里淵散射功率譜影響的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig. 5 Schematic diagram of experimental setup for measuring the influence of grating characteristic parameters on stimulated Brillouin scatting power spectrum

ParameterGroup1Group2FBG1FBG2FBG3FBG1FBG2FBG3Group3Wavelength/nm1510153015451510153015451510153015451530153015301530153015301530153015301549.8Refractiveindex/%34.0834.6833.1660.3761.9862.6790.7389.8890.5333.1634.5334.6861.45258.9861.54189.1691.1591.1596.34Bandwidth/nm0.170.180.170.230.230.240.180.170.180.150.150.160.200.200.180.270.270.260.21

空間分辨率對(duì)光纖布拉格光柵定位影響的試驗(yàn)材料選取由3個(gè)光纖布拉格光柵組成的光纖光柵串，所采用光纖布拉格光柵的性能參數(shù)如表3所示。

表3 空間分辨率對(duì)光纖布拉格光柵定位影響試驗(yàn)中光纖布拉格光柵的性能參數(shù)Tab. 3 Characteristic parameters of FBG in the experi-ment of spatial resolution influence on FBG positioning

3 結(jié)果與討論

3.1 光柵類型及曝光致光纖折射率變化對(duì)受激布里淵信號(hào)的影響

圖6 不同類型光柵的受激布里淵散射功率譜Fig. 6 Power spectra of stimulated Brillouin scattering of different types of gratings

圖6是不同類型光柵的受激布里淵散射功率譜圖?？梢?jiàn)，光纖布拉格光柵、長(zhǎng)周期光柵及啁啾光柵與受激布里淵信號(hào)的耦合效果具有明顯差異。長(zhǎng)周期光柵和啁啾光柵在受激布里淵散射譜圖中均未出現(xiàn)較明顯的反射峰，而光纖布拉格光柵的反射譜圖比較尖銳，可以清楚地確定光柵的具體位置。分析認(rèn)為，長(zhǎng)周期光柵處未出現(xiàn)反射峰且能量下降的主要原因是，長(zhǎng)周期光柵將特定波長(zhǎng)的光波散射到包層，從而引起了能量衰減。光纖布拉格光柵的布里淵功率譜中出現(xiàn)了尖銳的反射峰，這是由于光纖布拉格光柵將特定波長(zhǎng)的光波耦合到纖芯模中，發(fā)生了布里淵散射光和光纖光柵反射光的耦合疊加。

圖7 不同曝光時(shí)間處理的載氫光纖受激布里淵散射功率譜Fig. 7 Power spectra of stimulated Brillouin scattering of hydrogen loaded optical fiber with different exposure time

圖7不同曝光時(shí)間處理的載氫光纖的布里淵散射功率譜圖?？梢?jiàn)，布里淵散射譜的光功率接近于水平直線，說(shuō)明曝光處未出現(xiàn)反射峰。因此，光纖折射率的變化對(duì)受激布里淵信號(hào)幾乎沒(méi)有影響。

3.2 光纖布拉格光柵反射率、波長(zhǎng)對(duì)布里淵信號(hào)的影響

圖8為第2組不同反射率光纖布拉格光柵的受激布里淵散射功率譜，其中(a)為三個(gè)光纖光柵串的受激布里淵散射功率譜，(b)、(c)、(d)分別為圖(a)中光柵處的受激布里淵散射功率譜的放大圖。反射峰并未隨著光柵反射率的不同而呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，說(shuō)明光纖光柵反射率對(duì)受激布里淵散射信號(hào)的影響不大。

圖8 反射率不同的光纖布拉格光柵的受激布里淵散射功率譜。(a)三個(gè)光纖樣品的受激布里淵功率譜；(b)FBG1的受激布里淵功率譜；(c)FBG2的受激布里淵功率譜圖；(d)FBG3的受激布里淵功率譜圖Fig. 8 Power spectra of stimulated Brillouin scattering of FBG with different reflectivities. (a) Power spectra of stimulated Brillouin scattering of three fiber specimens; (b) Power spectra of stimulated Brillouin scattering for FBG1; (c) Power spectra of stimulated Brillouin scattering for FBG2; (d) Power spectra of stimulated Brillouin scattering for FBG3

圖9 波長(zhǎng)不同的光纖布拉格光柵的受激布里淵散射信號(hào)功率譜Fig. 9 Power spectra of stimulated Brillouin scattering of FBG with different wavelengths

圖10 不同波長(zhǎng)的光纖布拉格光柵的布里淵頻移圖Fig. 10 Brillouin frequency shift of FBG with different wavelengths

圖9是不同拉伸狀態(tài)下光纖布拉格光柵及其附近光纖的受激布里淵散射功率譜。可見(jiàn)，隨著波長(zhǎng)增加，受激布里淵散射功率譜的峰值幾乎不變，說(shuō)明波長(zhǎng)是否接近于1 550 nm對(duì)光柵的定位是沒(méi)有影響的。如圖10所示，隨著應(yīng)變?cè)龃?，處于?yīng)變區(qū)域的光柵柵區(qū)附近出現(xiàn)了波谷，且波長(zhǎng)越接近于1 550 nm，柵區(qū)附近的布里淵頻移信號(hào)的波谷開(kāi)口越大。此時(shí)，光纖光柵附近的布里淵頻移的劇烈波動(dòng)會(huì)影響該區(qū)域的應(yīng)變測(cè)量。因此，在工程實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量將光柵布置在不受應(yīng)變影響的區(qū)段，以避免對(duì)光柵附近區(qū)域分布式應(yīng)變測(cè)量的影響。

3.3 空間分辨率對(duì)光纖布拉格光柵定位的影響

圖11是不同空間分辨率下的受激布里淵散射功率譜?？梢?jiàn)，隨著空間分辨率增大，光纖布拉格光柵處的反射譜逐漸展寬且能量下降。10 cm和20 cm空間分辨率下的反射峰比較尖銳，而50 cm和100 cm空間分辨率下的反射譜展寬明顯。表4分析了不同空間分辨率下光柵的具體位置和定位誤差。在8 m測(cè)試長(zhǎng)度范圍內(nèi)和10，20，50 cm的空間分辨下，光柵定位誤差維持在4 cm以內(nèi)；當(dāng)空間分辨率達(dá)到100 cm時(shí)，定位誤差較大。以上數(shù)據(jù)是根據(jù)圖11得到的，在50 cm和100 cm的空間分辨率下，光柵處的反射譜展寬，通過(guò)讀數(shù)不易確定光柵的精確位置。因此，當(dāng)儀器的空間分辨率設(shè)置為50 cm和100 cm時(shí)，光柵不再適用于高精度定位。

圖11 不同空間分辨率下光纖布拉格光柵的受激布里淵散射功率譜Fig. 11 Power spectra of stimulated Brillouin scattering of FBG at different spatial resolutions

Spatialresolution/cmSpatiallocation/mPositioningerror/cmFBG1FBG2FBG3FBG1-FBG2FBG2-FBG3108.05916.06824.1273.83.9208.05916.06824.1273.83.9508.00816.01624.0762.841007.75115.81123.87083.9

4 結(jié) 論

本文研究了光纖光柵類型、光柵特性參數(shù)以及BOTDA測(cè)試空間分辨率對(duì)受激布里淵信號(hào)功率譜和頻譜的影響規(guī)律。在布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)中，與啁啾光柵和長(zhǎng)周期光柵相比，布拉格光柵具有尖銳的反射峰事件，適合作為定位指示工具；而光致折射率變化時(shí)，光纖不會(huì)產(chǎn)生光時(shí)域反射事件。高精度應(yīng)變分析儀的空間分辨率小于20 cm時(shí)，光柵具有較高的空間定位精度；隨著系統(tǒng)的空間分辨率增大，光柵反射譜帶寬會(huì)展寬，導(dǎo)致定位精度下降。光柵反射率與受激布里淵功率譜無(wú)明顯的相關(guān)性，且對(duì)光柵定位幾乎沒(méi)有影響。處于拉應(yīng)力狀態(tài)的光柵，當(dāng)波長(zhǎng)接近1 550 nm時(shí)，會(huì)對(duì)柵區(qū)附近光纖的布里淵頻移信號(hào)產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而影響柵區(qū)附近應(yīng)變的測(cè)量，因此，在分布式應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)中用于定位的光柵應(yīng)盡可能地布設(shè)在非應(yīng)變區(qū)。

綜上所述，光纖布拉格光柵適合作為全分布式光纖傳感中的定位指示器，并且值得進(jìn)一步深入研究。

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Coupling characteristics between fiber grating andstimulated Brillouin signal

SUN Bao-chen1,2, HOU Yue-min1, LI Feng1, LI Jian-zhi1,2*

(1.Research Institute of Structural Health Monitoring and Control,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China；2.Technology Research Center of Engineering Vibration Isolation and Equipment in Hebei Province,Hengshui 053000,China)*Corresponding author, E-mail:lijianzhigang@163.com

Recently, the integration technique of fiber Bragg grating (FBG) sensors and distributed optical fiber sensors has attracted extensive attention. However, it is unknown about coupling properties between FBG and Brillouin signal. In this paper, we investigate the effects of optical grating types, wavelength and reflectivity and exposure-induced refractive index of optical fiber on stimulated Brillouin signal. Meanwhile, the influence of spatial resolution on positioning of FBG is discussed. Experimental results show that the sharp reflected peak from FBG occurs in the hybrid system of FBG sensor and Brillouin optical time-domain analysis (BOTDA), while no reflected peak occurs for chirped grating and long period grating, as well as exposure-induced refractive index of optical fibers. FBG reflectivity has no connection with power spectrum of simulated Brillouin scattering. It is also shown that when the wavelength of FBG is close to 1 550 nm, the influence on stimulated Brillouin signal is the largest. A positioning error of approximate 4 cm is obtained among a sensing range of 8 m, which is independent on the spatial resolution.

fiber Bragg grating (FBG);stimulated Brillouin signal;coupling rule;reflection spectrum

2017-03-10；

2017-04-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.51508349);河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.E2015210094);河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究青年基金項(xiàng)目(No.QN2016080) Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51508349); Hebei Province Natural Science Foundation of China (No. E2015210094); Youth S&T Research Fund of Colleges & Universities in Hebei Province (No. QN2016080)

2095-1531(2017)04-0484-07

TU317

A

10.3788/CO.20171004. 0484

孫寶臣(1961—)，男，河北高碑店人，教授，1982年于東北重型機(jī)械學(xué)院獲得碩士學(xué)位，主要從事智能材料方面的研究。E-mail: sunbaochen@stdu.edu.cn

李劍芝(1978—)，女，河北定州人，副教授，2004年于武漢理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位，2009年于北京交通大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事光纖傳感及智能材料結(jié)構(gòu)方面的研究。E-mail: lijianzhigang@163.com