何祖源 劉慶文 陳嘉庚

(上海交通大學(xué),區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室,上海 200240)

1 引 言

地殼形變觀測是地球物理學(xué)中針對地質(zhì)構(gòu)造過程及地震、火山等地質(zhì)災(zāi)害研究的核心環(huán)節(jié)之一,其重要性不言而喻.相比一般的應(yīng)用場景,地質(zhì)構(gòu)造過程中待觀測的應(yīng)變信號極其微弱,且測量周期長、干擾來源復(fù)雜,相應(yīng)地對傳感與測量技術(shù)提出了很高要求.目前,基于全球定位系統(tǒng)(GPS)的地殼形變觀測已廣泛應(yīng)用,但考慮到其運行方式與定位精度的限制,該方案僅能提供較大時間與空間尺度上的地殼形變變化情況.為更精確地獲取重點區(qū)域的地殼形變信息,需要建立固定的地殼應(yīng)變監(jiān)測站臺以進(jìn)行連續(xù)、高精度的地殼應(yīng)變測量[1,2].傳統(tǒng)的地殼應(yīng)變監(jiān)測站廣泛采用銦鋼棒伸縮應(yīng)變儀技術(shù)或激光干涉儀技術(shù)[3,4],而為達(dá)到納應(yīng)變級應(yīng)變測量分辨率,其傳感探頭長度需達(dá)到幾十米至幾百米,不僅限制了其用于應(yīng)變分布情況觀測時的空間分辨率,該傳感器需要布設(shè)于深入地下的穩(wěn)定環(huán)境中,其巨大的尺寸使得整個系統(tǒng)安裝與施工的復(fù)雜程度與成本極高,嚴(yán)重制約了這類應(yīng)變傳感儀器在地殼形變觀測中的推廣應(yīng)用.

光纖傳感技術(shù)自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來,經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展,已逐漸在各類應(yīng)用場景中發(fā)揮著關(guān)鍵甚至不可或缺的作用.其中,基于光纖光柵的應(yīng)變傳感器作為光纖傳感技術(shù)的重要分枝,因其具有小尺寸、高穩(wěn)定性、抗電磁干擾、制造工藝成熟、易于復(fù)用等特點,并得益于現(xiàn)代光學(xué)與光通信技術(shù)的飛速發(fā)展,在傳感器性能指標(biāo)以及工程實用性與穩(wěn)定性等方面均不斷地提升,已被廣泛用于各類振動測量、智能材料以及結(jié)構(gòu)健康檢測等應(yīng)用場景中[5],也受到了包括地球物理學(xué)研究在內(nèi)的多個交叉學(xué)科研究人員的密切關(guān)注.

地球物理學(xué)應(yīng)用場景的特殊性對光纖光柵應(yīng)變傳感系統(tǒng)提出了諸多挑戰(zhàn),包括同時實現(xiàn)納應(yīng)變級高分辨率與大動態(tài)范圍,抑制溫度變化等環(huán)境因素對準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變信號的干擾,傳感系統(tǒng)的復(fù)用能力、長期可靠性以及成本等.本文圍繞光纖光柵的準(zhǔn)靜態(tài)超高分辨率光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng),具體闡述其應(yīng)變傳感機理與光學(xué)傳感元件的選取,詳細(xì)介紹圍繞上述難點與挑戰(zhàn)展開的一系列的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與改進(jìn),包括掃頻探測、Pound-Drever-Hall(PDH)解調(diào)、邊帶探測、雙回路鎖定傳感、傳感器時分復(fù)用等關(guān)鍵技術(shù),并給出了超高分辨率光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)用于現(xiàn)場地殼形變信號觀測的系統(tǒng)方案與測量結(jié)果.

2 高精度光纖應(yīng)變傳感器的傳感機理與光學(xué)傳感元件

2.1 光纖布拉格光柵式應(yīng)變傳感器的傳感機理

光纖布拉格光柵( fiber Bragg grating,FBG)是目前應(yīng)用最為廣泛的光纖傳感器件.光纖光柵反射光的中心波長(布拉格波長)λB是其所受應(yīng)變ε及溫度T的線性函數(shù)[6]

其中ΔT表示布拉格波長變化量,ΔT表示溫度變化,ε為軸向應(yīng)變,α為纖芯材料熱脹系數(shù),ξ為熱光系數(shù),px為彈光系數(shù).由(1)式可知,將光柵放置于待測環(huán)境中作為傳感元件,通過觀測光柵布拉格波長λB即可得知光柵上軸向應(yīng)變變化及溫度變化情況,而λB的測量分辨率決定了應(yīng)變及溫度的測量分辨率.

圖1 超高精度光纖光柵應(yīng)變傳感器原理框圖Fig.1.The schematic con figuration of ultrahigh resolution fiber grating strain sensors.

本文中的高精度光纖光柵應(yīng)變傳感器的系統(tǒng)框圖如圖1所示.由于光纖光柵的布拉格波長同時與溫度和應(yīng)變有關(guān),為了補償環(huán)境溫度變化的影響,需要在傳感光柵的旁邊另外布設(shè)溫度補償元件,可以是光纖光柵,也可以是光纖環(huán)等光纖部件.激光光源發(fā)出的激光經(jīng)過調(diào)制后射入傳感光柵及溫度補償光柵;反射光經(jīng)過光環(huán)行器(CIR)進(jìn)入光電探測器,經(jīng)過解調(diào)系統(tǒng)后得到激光的中心波長與光柵的布拉格波長的偏差信息,進(jìn)而繼而獲得傳感光柵上的應(yīng)變信息.

通常情況下,光纖光柵傳感器的傳感元件采用常規(guī)的布拉格光柵,光源部分采用覆蓋光柵布拉格波長變化范圍的寬譜光源,同時解調(diào)系統(tǒng)采用光譜儀或光波長計等光學(xué)儀器[7].然而這種系統(tǒng)實現(xiàn)方案受限于光源的光譜功率密度、光柵的反射譜寬,以及光學(xué)儀器的波長分辨率,遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到地殼形變觀測所需的納應(yīng)變級分辨率.因此,提高系統(tǒng)的分辨率與傳感精度,應(yīng)當(dāng)從傳感元件與探測系統(tǒng)兩個方面入手,合理選擇傳感元件,同時設(shè)計相應(yīng)的高精度的探測系統(tǒng)方案,以滿足地殼形變檢測場景對傳感器的指標(biāo)需求.

2.2 高精度光纖應(yīng)變傳感器的傳感元件的選擇

為了實現(xiàn)高應(yīng)變分辨率,不僅需要采用具有高光功率密度的窄線寬激光光源和低噪聲光電探測器,對光纖光柵的帶寬和光譜形狀也有相應(yīng)的要求[8].常規(guī)光纖布拉格光柵的反射譜寬通常大于0.1 nm,這樣的寬度不能充分利用窄線寬激光器的精密波長調(diào)諧能力,因此,我們選用基于光纖布拉格光柵的法布里-珀羅干涉儀(FBG Fabry-Perot interferometer,FFPI)或π相移光纖布拉格光柵(π-phase-shifted FBG,π-PSFBG)作為傳感元件.基于光纖布拉格光柵的法布里-珀羅(F-P)干涉儀由一段光纖上的一對同布拉格波長的高反射光纖布拉格光柵構(gòu)成[9].由法布里-珀羅干涉理論[9]可知,其高反射區(qū)在頻域?qū)⒊霈F(xiàn)多個固定頻率間隔的極窄透射峰,頻率間隔與透射峰寬度由光柵間距離與光柵反射率決定;而π相移光纖布拉格光柵可視為一種特殊的光纖布拉格光柵[10],在原本為折射率周期變化的高反射率光柵的中間位置引入半個周期的折射率變化延遲,其頻域高反射區(qū)中心,即布拉格波長處將出現(xiàn)單個窄透射峰.上述光纖F-P干涉儀與π相移光柵中的諧振峰(或稱之為透射峰)寬度均可達(dá)到小于1 pm(10?12m)量級;而與之相伴隨,其諧振中心兩邊的復(fù)反射系數(shù)將表現(xiàn)出快速的相位反轉(zhuǎn).傳感元件的這一特性為納應(yīng)變級甚至更高精度的傳感系統(tǒng)設(shè)計創(chuàng)造了有利條件.尺寸方面,光纖法布里-珀羅干涉儀式傳感元件長度通常為數(shù)十毫米至數(shù)百毫米,而π相移光柵的長度一般不超過50 mm,均遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)式地殼形變觀測站臺中銦鋼棒的尺寸.

3 實現(xiàn)高精度應(yīng)變傳感的關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)方案

由前面的討論可知,在選定合適的傳感元件后,實現(xiàn)高精度應(yīng)變傳感的關(guān)鍵在于設(shè)計相應(yīng)的解調(diào)系統(tǒng),使之能夠精確地檢測傳感元件的頻域特性變化量.本節(jié)將以一系列高精度光纖應(yīng)變傳感器的系統(tǒng)實現(xiàn)方案為線索,詳細(xì)介紹實現(xiàn)高精度傳感器的系統(tǒng)設(shè)計中所開發(fā)的多項關(guān)鍵技術(shù).

3.1 基于窄線寬激光掃頻探測與PDH解調(diào)技術(shù)的解調(diào)方案

基于窄線寬激光掃頻與PDH解調(diào)的高精度應(yīng)變傳感器系統(tǒng)方案如圖2所示[11].窄線寬可調(diào)諧激光器(laser)作為光源,光源輸出激光經(jīng)光相位調(diào)制器(PM)至50:50光耦合器(CP),光耦合器將激光分為功率相等的兩路,此后兩路系統(tǒng)采用相同結(jié)構(gòu).耦合器的輸出分別連接CIR1端口,CIR2端口接光纖F-P干涉儀(FFPI)的一端,光纖F-P干涉儀的反射光由2端口返回至3端口,其后接光電探測器(PD),將反射光強度信號轉(zhuǎn)為電信號.電信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后,由數(shù)字信號處理芯片進(jìn)行混頻(Mul)及低通濾波(LPF),經(jīng)處理后的信號傳輸至計算機,進(jìn)行應(yīng)變信息的計算.

圖2 基于窄線寬激光掃頻與PDH解調(diào)的高精度應(yīng)變傳感器系統(tǒng)方案[11] FG,波型發(fā)生器;PC,偏振控制器;A/D,模數(shù)轉(zhuǎn)換器Fig.2.System con figuration for interrogating a pair of FFPIs with PDH technique[11]:FG,function generator;PC,polarization controller;A/D,analog to digital convertor.

本系統(tǒng)中采用的光相位調(diào)制及光強信號混頻低通濾波部分,即為廣泛用于光學(xué)系統(tǒng)中激光穩(wěn)頻與高精度光纖傳感的PDH解調(diào)技術(shù)[12].在該技術(shù)中,采用經(jīng)正弦相位調(diào)制的單頻激光對光學(xué)諧振腔進(jìn)行探測,由于諧振腔的諧振中心附近的復(fù)反射系數(shù)表現(xiàn)出顯著的相位變化,入射的相位調(diào)制探測激光反射后經(jīng)自干涉表現(xiàn)出同頻的強度調(diào)制效果,且當(dāng)探測激光中心頻率低于或高于諧振中心頻率時,該強度調(diào)制信號的相位相反.對該反射光強度信號進(jìn)行鑒相處理后,探測激光頻率低于或高于諧振中心頻率時對應(yīng)的鑒相輸出電信號符號相反,我們將該輸出信號稱為鑒頻誤差信號(error signal)[13],其表征了探測激光頻率與待測諧振腔諧振中心頻率的偏差.諧振中心附近完整的誤差信號曲線如圖2中兩數(shù)字信號處理部分輸出所示,該曲線為以諧振頻率點為對稱點呈中心對稱,因此在諧振頻率處,誤差信號的幅度為0,且在諧振頻率附近信號幅度與探測激光頻偏線性相關(guān).本方案中,由于PDH解調(diào)技術(shù)中引入了頻率相對較高的調(diào)制與解調(diào),把對反射光強度信號的處理從低頻部搬移到高頻區(qū),可顯著降低激光器強度噪聲、電子器件的低頻噪聲等帶來的干擾.

系統(tǒng)的探頭部分包含兩個相同參數(shù)的FFPI,其中一個為傳感元件,另一個為參考元件.傳感器布設(shè)時,待測應(yīng)變施加在傳感元件上,而參考元件平行放置于傳感元件附近且與外界應(yīng)變隔離.由于兩者參數(shù)相同,其諧振頻率變化對溫度的靈敏度系數(shù)相等.故當(dāng)環(huán)境溫度變化時,兩者的諧振頻率值將分別發(fā)生相同數(shù)量的漂移,而其差值不變;若傳感元件上的軸向應(yīng)變發(fā)生變化,則其諧振頻率發(fā)生相應(yīng)改變,但參考元件由于與外界應(yīng)變隔離其諧振頻率不受影響,因此兩諧振頻率差發(fā)生改變.也就是說,參考元件的引入可補償探頭溫度變化對應(yīng)變測量的干擾,兩元件諧振頻率的相對量(差值)對應(yīng)待測應(yīng)變信號.除此之外,激光器長期工作時,其工作波長可能發(fā)生漂移,其對系統(tǒng)的影響也表現(xiàn)為所測得的兩諧振頻率發(fā)生相同漂移,該項干擾同樣可由參考元件有效去除.

系統(tǒng)運行時,激光器工作在線性掃頻模式下并不斷重復(fù).激光器的掃頻范圍必須大于FFPI的自由光譜范圍(FSR),以保證掃頻過程中探測到至少一個諧振峰.每次掃頻完成后,兩FFPI反射的光強度信號經(jīng)PDH解調(diào)得到兩條誤差信號曲線,如圖3(a)所示.由于激光器線性掃頻,該曲線橫軸可折算為激光波長(在較小的波長范圍內(nèi),激光波長變化線性對應(yīng)激光頻率變化,如1550 nm波長附近,1 pm的波長差即對應(yīng)125 MHz頻率差),而兩FFPI諧振點的波長差可通過互相關(guān)法計算得到[14].如圖3(b),兩曲線互相關(guān)結(jié)果的峰值點對應(yīng)的橫軸坐標(biāo)即兩FFPI諧振點波長差.該結(jié)果除以FFPI的應(yīng)變靈敏度系數(shù)(本實驗中為1.2 pm/με)得到最終的應(yīng)變變化量.

圖3 激光器單次掃頻測得的誤差信號曲線及其互相關(guān)結(jié)果[11] (a)兩光纖F-P干涉儀經(jīng)PDH解調(diào)所得誤差信號;(b)兩誤差信號的互相關(guān)曲線Fig.3.(a)Measured PDH demodulation error signals from the FFPIs;(b)their cross-correlation curve[11].

圖4為實驗室環(huán)境下測得的零應(yīng)變狀態(tài)下傳感元件與參考元件的諧振波長與兩者之差.如圖4(a)所示,兩者的諧振峰中心波長均隨環(huán)境溫度改變而發(fā)生漂移,但由于兩元件的溫度靈敏度系數(shù)相同,因此其差值保持不變,如圖4(b).曲線中出現(xiàn)的四處跳變來源于傳感元件或參考元件的某個諧振峰漂移出掃頻激光的探測范圍.但由于該波長跳變?yōu)楣潭?其值等于FFPI兩諧振峰間波長差,即其FSR,因此對測量結(jié)果不產(chǎn)生影響.去除該模式切換所致的跳變后,計算175 min內(nèi)測得數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差,得其波長分辨率為0.0054 pm,相應(yīng)的應(yīng)變分辨率為4.5 nε.傳感器的測量范圍由傳感元件的高反射區(qū)譜寬決定,本實驗所采用FFPI在頻譜上的高反射區(qū)寬度大于0.25 nm,對應(yīng)的測量范圍超過200με.

另外,在該方案中,激光器的掃頻線性度與可重復(fù)度為影響測量誤差的主要因素[11].其中掃頻線性度指掃頻過程中單位時間內(nèi)激光絕對頻率變化的穩(wěn)定性,而可重復(fù)度指各次掃頻起始時刻激光絕對頻率的穩(wěn)定性;任何掃頻線性度與掃頻可重復(fù)度的不理想均會在時間至激光頻率折算時引入誤差,直接導(dǎo)致傳感器的分辨率與精度下降.因此,可針對激光器的掃頻性能進(jìn)行優(yōu)化,以進(jìn)一步提高傳感器性能.如文獻(xiàn)[15]中通過單邊帶光強度調(diào)制的外調(diào)制式光源對該系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),在實驗室環(huán)境下實現(xiàn)了0.67 nε的應(yīng)變分辨率.

圖4 實驗中測得的傳感元件與參考元件的諧振峰波長及兩者差值[11] (a)傳感元件與參考元件的諧振峰波長;(b)兩諧振峰波長差值Fig.4.Experimental results[11]:(a)Detected resonance wavelengths of two FFPIs,respectively;(b)the resonance difference extracted by cross-correlation.

3.2 基于強度調(diào)制邊帶探測與頻率反饋鎖定技術(shù)的解調(diào)方案

由3.1節(jié)所述方案及討論可知,限制該系統(tǒng)的應(yīng)變測量分辨率的最主要因素為激光器的掃頻線性度與可重復(fù)度.若希望降低或消除此誤差,除可對掃頻光源部分進(jìn)行改進(jìn)之外,還可以針對整個系統(tǒng)方案進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計.為此,我們提出了基于強度調(diào)制邊帶探測與頻率反饋鎖定技術(shù)的解調(diào)方案[16],消除了激光器掃頻性能的缺陷對傳感器性能的影響.

圖5 基于強度調(diào)制邊帶探測的高精度應(yīng)變傳感器系統(tǒng)方案[16]Fig.5.System con figuration with sideband interrogation method[16].

強度調(diào)制邊帶探測式高精度應(yīng)變傳感器系統(tǒng)如圖5所示.系統(tǒng)光源部分采用窄線寬可調(diào)諧激光器,激光器輸出由光耦合器一分為二,其中一路(稱之為參考路)首先通過光相位調(diào)制器(PM),后經(jīng)CIR進(jìn)入?yún)⒖糉FPI(Ref.FFPI);干涉儀的反射信號再經(jīng)光環(huán)行器至PD,PD輸出電信號再經(jīng)數(shù)字域混頻及低通濾波后由計算機獲取.光耦合器的另一路輸出(稱之為傳感路)與參考路不同,其輸出光先通過一個光強度調(diào)制器(IM)再由另一CIR導(dǎo)入傳感FFPI(Sens.FFPI);在此之后傳感路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參考路相同.參考路中的光相位調(diào)制器由信號發(fā)生器(FG1)產(chǎn)生的角頻率為?M正弦波驅(qū)動,用于后續(xù)的PDH信號解調(diào);而傳感路中的光強度調(diào)制器則由多個信號發(fā)生器(FG2,FG3,FG4)分別產(chǎn)生的角頻率為?S??M,?S,?S+?M的正弦信號疊加后驅(qū)動,同時三路正弦信號的幅度與相位關(guān)系滿足一定條件[13,16],使得調(diào)制器輸出等效于角頻率為?M的相位調(diào)制與角頻率為?S的強度調(diào)制的疊加,其頻譜如圖6所示.本方案中的傳感探頭部分與3.1節(jié)所述方法一致.

該系統(tǒng)相比3.1節(jié)所述方案,不同之處在于傳感路中引入了光強度調(diào)制環(huán)節(jié)[16].頻率為?S的光強度產(chǎn)生的一階調(diào)制邊帶等效于對載波進(jìn)行頻率為?S/2π的移頻.由前面討論可知,傳感器的應(yīng)變讀數(shù)可由傳感元件與參考元件的諧振頻率差得到;若這個頻率差正好等于強度調(diào)制產(chǎn)生的移頻?S/2π,在光源掃頻過程中的某一時刻,由載波進(jìn)行探測的參考FFPI諧振中心與由強度調(diào)制邊帶進(jìn)行探測的傳感FFPI諧振中心將同時出現(xiàn),如圖6中的情況[16].這樣,待測的兩FFPI間諧振頻率差就可直接由強度調(diào)制頻率?S得到,而無需通過掃頻時間至激光頻率折算,從而避免了掃頻線線性度與掃頻可重復(fù)度的不理想所引入的誤差.

圖6 由載波及強度調(diào)制邊帶分別探測兩FFPI時的頻譜示意圖[16]Fig.6. Simultaneous interrogation of the two FFPIs with the carrier and one of the first order sidebands[16].

上述方法從強度調(diào)制頻率?S得到待測諧振頻率差的前提是掃頻過程中參考元件諧振中心與傳感元件諧振中心同時出現(xiàn),即強度調(diào)制產(chǎn)生的移頻?S與諧振中心頻率差相等.因此,系統(tǒng)工作時,相位調(diào)制頻率?M始終固定,強度調(diào)制頻率?S則不斷調(diào)整.由于諧振中心頻率差隨著待測量不斷改變,須引入反饋控制環(huán)節(jié)使?S始終跟隨諧振中心頻率差的變化.實際上,由于待測應(yīng)變不斷變化,每次掃頻中參考元件諧振中心與傳感元件諧振中心的出現(xiàn)時間點存在極小的時間差,掃頻完成后根據(jù)該時間差對?S做相應(yīng)調(diào)整,即可使得強度調(diào)制移頻?S始終跟隨應(yīng)變變化導(dǎo)致的諧振中心頻率差改變.該控制系統(tǒng)的反饋帶寬由激光器掃頻的重復(fù)頻率決定,即單位時間內(nèi)激光器完成掃頻過程的數(shù)目.不同于3.1節(jié)中方案,本方案中不需要激光掃頻范圍超過FFPI的FSR,只需覆蓋諧振峰附近的極小范圍即可.因此,掃頻激光器可工作在很高的重復(fù)頻率下,與之相應(yīng)的高反饋帶寬把用于反饋的諧振中心出現(xiàn)時間差所引入的測量偏差壓制到極低.

圖7 探頭處于零應(yīng)變狀態(tài)下,2 h內(nèi)測得的諧振中心頻率差的變化曲線[16]Fig.7.Extracted frequency difference between demodulated signals over 2 h[16].

探頭處于零應(yīng)變狀態(tài)時,該系統(tǒng)測得的兩FFPI間諧振中心頻率差曲線如圖7所示.在120 min的測量時間內(nèi),這段數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為94 kHz,對應(yīng)的應(yīng)變分辨率為0.8 nε.關(guān)于系統(tǒng)的測量范圍,雖然應(yīng)變結(jié)果由強度調(diào)制頻率?S算出,但只要?S的可調(diào)節(jié)范圍大于參考元件的自由光譜范圍,即可由系統(tǒng)自動控制探測光載波在參考元件的不同諧振峰之間切換,并將?S修正為?S+n·?FSR再進(jìn)行應(yīng)變換算[16],其中n為整數(shù),?FSR為參考FFPI的自由光譜范圍對應(yīng)的角頻率.這樣的配置使得系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與3.1節(jié)中方案相同的測量范圍.

3.3 雙反饋回路式高精度光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)

前面介紹的兩種掃頻式高精度光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)實現(xiàn)方案,其性能均較大程度地受限于掃頻激光器的重復(fù)速率.由于上述方案中所提到的鑒頻誤差信號本身即可直接反映探測激光與諧振中心的頻率偏差,因此可以基于該誤差信號直接對激光頻率進(jìn)行反饋調(diào)諧,以實現(xiàn)激光頻率與諧振頻率的快速、精確對準(zhǔn).大多數(shù)基于PDH技術(shù)的光纖應(yīng)變傳感器即基于此原理[17?19],該類系統(tǒng)通常以可調(diào)諧光源探測光學(xué)諧振腔型傳感元件,并引入相位調(diào)制與同步鑒相環(huán)節(jié)以獲取鑒頻誤差信號,誤差信號輸出PID控制器后對激光器進(jìn)行反饋調(diào)諧構(gòu)成閉環(huán)回路,實現(xiàn)頻率鎖定.通常地,PDH式光纖應(yīng)變傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)比掃頻式光纖應(yīng)變傳感器更高的采樣率,因此常用于高精度動態(tài)應(yīng)變信號傳感[17,18].由于靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變信號傳感需要額外的參考通道,而經(jīng)典的PDH式光纖應(yīng)變傳感器實現(xiàn)方案只可測量單個通道,因此我們將強度調(diào)制邊帶技術(shù)與PDH技術(shù)相結(jié)合,提出了雙反饋回路式高精度光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)[20],以實現(xiàn)更高精度、更高采樣率的靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)光纖應(yīng)變傳感器.

圖8 雙反饋回路式高精度光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)方案[20]Fig.8.System con figuration for dual feedback-loop based high resolution quasi-static strain sensor[20].

雙反饋回路式高精度光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)的實現(xiàn)方案如圖8所示.窄線寬可調(diào)諧激光器(narrow linewidth laser)輸出激光經(jīng)PM后由光耦合器(coupler)分為兩路,其中一路經(jīng)CIR進(jìn)入作為參考元件的FFPI,激光被其反射后再次經(jīng)光環(huán)形器進(jìn)入PD.PD輸出電信號由鎖定放大器(lock-in ampli fier)進(jìn)行鑒相得到參考路的誤差信號,該誤差信號進(jìn)入PID控制器產(chǎn)生激光器反饋信號后,經(jīng)線性放大器放大后對激光器進(jìn)行反饋調(diào)諧,構(gòu)成了第一閉環(huán)回路.該閉環(huán)回路與經(jīng)典PDH式傳感器結(jié)構(gòu)一致,其功能即借助參考元件的誤差信號,將激光頻率鎖定在參考元件的某個諧振峰上.參考FFPI的諧振峰及其誤差信號如圖9(a)所示.

光耦合器的另一路輸出連接光IM,經(jīng)強度調(diào)制后的激光同樣經(jīng)光環(huán)形器后進(jìn)入作為傳感元件的π相移光柵,其反射光再經(jīng)環(huán)行器后由另一光探測器接收,其輸出電信號由另一鎖定放大器完成鑒相,產(chǎn)生傳感路的誤差信號.該誤差信號進(jìn)入另一PID控制器,產(chǎn)生壓控振蕩器反饋信號,即該反饋信號接入壓控振蕩器(VCO)的頻率控制端口以調(diào)諧其輸出的射頻信號頻率.壓控振蕩器輸出的射頻信號由功分器(RF divider)分為兩路后,其中一路經(jīng)放大后連接至光強度調(diào)制器.這一結(jié)構(gòu)組成了系統(tǒng)的第二閉環(huán)回路.功分器的另一路輸出接入射頻信號頻率計數(shù)器(frequency counter),其計數(shù)結(jié)果由計算機獲取.

圖9 參考元件與傳感元件的頻譜示意圖及其誤差信號[20] (a)激光載波探測參考元件(光纖F-P干涉儀);(b)強度調(diào)制邊帶探測傳感元件(π相移光柵)Fig.9.Error signals from the FFPI and the π-PSFBG in the interrogation[20]:(a)The phase-modulated laser for the interrogation of the reference FFPI;(b)one first-order sideband of intensity modulation of the laser for the interrogation of the π-PSFBG.

第二閉環(huán)回路完成一階強度調(diào)制邊帶至π相移光柵諧振峰的鎖定,如圖9(b)所示.傳感路誤差信號表征了強度邊帶與相移光柵諧振中心的頻率差,PID控制器基于該頻率差對壓控振蕩器輸出的射頻信號頻率進(jìn)行反饋控制.由于一階強度調(diào)制邊帶與激光器輸出光的頻率差即為調(diào)制頻率,因此對調(diào)制頻率的反饋調(diào)諧可將該一階邊帶鎖定至π相移光柵諧振峰中心.此時,該調(diào)制頻率即π相移光柵諧振頻率與參考FFPI諧振頻率的頻率差值,對應(yīng)傳感元件的應(yīng)變變化.系統(tǒng)中作為參考元件的FFPI與作為傳感元件的π相移光柵采用同種型號光纖,故兩者的溫度靈敏度系數(shù)及應(yīng)變靈敏度系數(shù)均相同.與前述方案類似,當(dāng)環(huán)境溫度變化時,兩者的諧振頻率發(fā)生相同改變但其頻率差不變,這時第一反饋回路狀態(tài)改變而第二反饋回路狀態(tài)不變,消除溫漂影響;而當(dāng)π相移光柵上應(yīng)變發(fā)生變化時,兩器件的諧振頻率差改變,這時第二反饋回路對調(diào)制頻率進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,使一階邊帶始終鎖定在π相移光柵的諧振中心.射頻信號頻率計數(shù)器能夠快速、精確地獲取壓控振蕩器輸出的射頻信號頻率,經(jīng)折算后即可得到最終的應(yīng)變信息.

由于系統(tǒng)中兩個反饋回路均為連續(xù)調(diào)諧,即完全去除了掃頻環(huán)節(jié),因此系統(tǒng)的反饋帶寬得到了顯著提高,從而能夠得到更高的傳感精度與采樣速率.圖10為該系統(tǒng)工作在500 Samples/s采樣速率下,分別采集頻率為1,10,100 Hz,幅度為10?8ε的正弦應(yīng)變信號的功率譜密度曲線.可見,三條曲線分別在1,10,100 Hz頻點處出現(xiàn)幅度為的尖峰,表明該系統(tǒng)的響應(yīng)帶寬高于100 Hz,足以覆蓋整個次聲波頻段.系統(tǒng)在1 Hz頻率處的噪聲功率譜密度小于,在10 Hz頻率處噪聲功率譜密度小于.與3.2節(jié)中討論的情況類似,系統(tǒng)的工作范圍同樣由參考元件的工作范圍決定,其最大應(yīng)變測量范圍大于200με.即該系統(tǒng)可同時實現(xiàn)高分辨率、高采樣速率和大測量范圍的靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變信號檢測.

圖10 施加不同頻率應(yīng)變信號時傳感器測量結(jié)果對應(yīng)的功率譜密度曲線[20](黑色曲線為1 Hz應(yīng)變信號;紅色曲線為10 Hz應(yīng)變信號;藍(lán)色曲線為100 Hz應(yīng)變信號)Fig.10.Frequency domain results of measuring sinusoidal strain signals with different frequencies[20].The black curve,1 Hz;red curve,10 Hz;blue curve,100 Hz.

3.4 閉環(huán)時分復(fù)用式多通道高精度光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)

在地殼形變觀測中的應(yīng)變場分布測量、三維應(yīng)變張量測量等應(yīng)用場合中,往往需要多個一維線應(yīng)變傳感通道以獲取足夠信息,因而對傳感器的可復(fù)用性提出了要求.對于光纖應(yīng)變傳感器,主要的復(fù)用方式可分為波分復(fù)用(WDM)與時分復(fù)用(TDM)兩大類.與常規(guī)光纖光柵應(yīng)變傳感器不同,高精度光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)由于其自身的復(fù)雜性,對其進(jìn)行復(fù)用的技術(shù)難度更大,實現(xiàn)成本更高.針對高精度光纖應(yīng)變傳感的波分復(fù)用技術(shù)已見于報道[21],但由于其僅共用光纖傳輸通道,各通道仍占用獨立的光源與解調(diào)系統(tǒng),導(dǎo)致其成本過高,實際應(yīng)用受到很大限制.而光纖應(yīng)變傳感器的時分復(fù)用可大幅降低其系統(tǒng)成本,因此近年來也得到了快速發(fā)展[22].但截至目前,常規(guī)光纖傳感器的時分復(fù)用方案均無法直接移植于高精度光纖應(yīng)變傳感器.因此,我們基于強度調(diào)制邊帶探測、頻率反饋控制、脈沖時分探測等技術(shù),提出了針對高精度光纖應(yīng)變傳感器的時分復(fù)用方案[23].

由于FFPI,π相移光纖光柵等用于高精度光纖應(yīng)變傳感的光學(xué)元件為高反射率型,無法直接串聯(lián)復(fù)用,因此多個傳感器的復(fù)用通常采用星型結(jié)構(gòu).圖11(a)為時分復(fù)用式高精度光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)的探頭陣列示意圖.該探頭陣列中包含一個M端口光纖耦合器,耦合器的每路輸出均連接長度不等的延時光纖后接入π相移光纖光柵.當(dāng)單個探測光脈沖進(jìn)入光纖耦合器后,由于各光路中耦合器至光柵的光程不同,各個光柵產(chǎn)生的反射光脈沖回到耦合器入射端所經(jīng)歷的延時也不同.只要各光路間光時延的差值均大于脈沖持續(xù)時間,所有的反射脈沖即可相互不重疊地由耦合器入射端口返回,構(gòu)成反射脈沖串.之后,根據(jù)每條光路各自引入的延時即可區(qū)分脈沖串中各個脈沖對應(yīng)的光柵.

時分復(fù)用式高精度光纖應(yīng)變傳感器的系統(tǒng)方案如圖11(b)所示.窄線寬激光器的輸出依次連接PM,IM、聲光開關(guān)(AOM).其中,PM由固定頻率正弦電信號驅(qū)動以獲取鑒頻誤差信號,TM由可快速調(diào)諧頻率的射頻信號發(fā)生器(RFSG)驅(qū)動以產(chǎn)生探測邊帶,聲光開關(guān)由脈沖信號發(fā)生器控制以生成探測激光脈沖.聲光開關(guān)的輸出連接探頭陣列,探頭陣列由多個光纖耦合器(couplers)、不同長度的延時光纖(delay fiber rolls)、偏振控制器(PCs),以及多個相同型號的π相移光纖光柵組成.各個光柵產(chǎn)生的反射光脈沖串再經(jīng)過光耦合器進(jìn)入光電探測器(PC)轉(zhuǎn)為電信號.計算機系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備(DAQ)獲取光電探測器輸出信號后對其進(jìn)行數(shù)字域解調(diào),根據(jù)解調(diào)結(jié)果對射頻信號發(fā)生器進(jìn)行調(diào)諧,實現(xiàn)對各個傳感通道的閉環(huán)控制.

圖11 高精度光纖應(yīng)變傳感器的時分復(fù)用原理圖[23] (a)傳感器陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意;(b)時分復(fù)用式高精度光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)方案Fig.11.The Time-division multiplexing scheme[23]:(a)Structure of the sensor array;(b)the interrogation system.

系統(tǒng)通過時分閉環(huán)控制的方式實現(xiàn)M個傳感通道中應(yīng)變信息的同時采集[23].系統(tǒng)運行時以傳感周期為單元對各個傳感通道進(jìn)行采樣,在一個傳感周期內(nèi)進(jìn)行M次脈沖探測.以每個傳感周期內(nèi)第一次探測為例,系統(tǒng)控制射頻信號以f1的頻率驅(qū)動強度調(diào)制器,產(chǎn)生的調(diào)制邊帶用于探測1號π相移光纖光柵的諧振峰.隨后數(shù)字采集裝置獲取整個反射脈沖串,計算機根據(jù)相應(yīng)的光延時從整個反射脈沖串中截取出1號光柵的反射脈沖信號,并對該段信號進(jìn)行數(shù)字鑒相,以獲取相應(yīng)的鑒頻誤差信號e1.只要探測邊帶位于諧振頻率附近,即可由e1得到探測邊帶與相移光纖光柵諧振頻率的偏差Δf1.類似地,每次脈沖探測均以某個射頻信號fk產(chǎn)生調(diào)制邊帶探測k號光柵,并分別獲取探測邊帶與相移光柵諧振中心的頻偏Δfk.這樣,在每個傳感周期中以一組調(diào)制頻率(f1,f2,···,fM)探測所有M個π相移光纖,并得到一組相應(yīng)的頻偏(Δf1,Δf2,···,ΔfM).此后一個傳感周期中將之前得到的頻偏用于修正原調(diào)制頻率使探測邊帶跟隨各光柵諧振中心,即新調(diào)制頻率,而這組新調(diào)制頻率又可得到新的一組頻偏.系統(tǒng)以此模式連續(xù)運行,對各個探測邊帶不斷進(jìn)行調(diào)整,使得其均鎖定在相應(yīng)的光柵諧振中心上,即M個時分閉環(huán)控制回路.該過程中得到的M個頻率序列,即表征了每個π相移光纖光柵的諧振中心頻率變化情況.

由于系統(tǒng)中各π相移光纖光柵均相同,因此可從中任取一個作為參考以補償環(huán)境溫度漂移,而不需額外引入?yún)⒖荚?剩余π相移光纖光柵均可作為傳感元件,進(jìn)行應(yīng)變折算時,將各傳感通道對應(yīng)的頻率序列減去參考通道對應(yīng)的頻率序列后,除以π相移光纖光柵的應(yīng)變靈敏度系數(shù)即可.圖12為M=4時,各傳感通道測得應(yīng)變信號的功率譜密度.測量時取1至3號光柵為傳感元件,其中1,2號光柵施加恒定應(yīng)變,3號光柵施加頻率1 Hz,幅度為40 nε的正弦應(yīng)變信號;對4號光柵進(jìn)行應(yīng)變隔離作為參考元件.由圖可知,通道3對應(yīng)曲線在1 Hz頻點處出現(xiàn)的尖峰與實際信號相符,且由圖中1 Hz頻點處放大區(qū)域知各通道間未觀測到串?dāng)_.在0.1—50 Hz頻段內(nèi)各個通道的噪聲功率譜密度均小于,同時,在低于0.1 Hz的頻段噪聲功率譜密度保持在納應(yīng)變級.系統(tǒng)的采樣率受限于射頻信號發(fā)生器的調(diào)諧速率,為100 Samples/s.

圖12 傳感器各通道測量結(jié)果的功率譜密度曲線[23]Fig.12.The power density spectra of the measured results[23].

4 現(xiàn)場實驗

基于高精度光纖應(yīng)變傳感器技術(shù),我們與日本東京大學(xué)合作,在東京大學(xué)地震研究所所屬的油壺灣地殼形變觀測站開展了現(xiàn)場測試[24].該觀測站位于日本神奈川縣三浦半島,距離東京約60 km.如圖13所示,實驗場位于海岸線附近略高于海平面的一處人工設(shè)施,該設(shè)施水平深入山體,其內(nèi)部安裝有三臺長度均為38 m的伸縮應(yīng)變計(如圖13中Sect.A所示位置),此外該實驗場還配備了潮位計等一系列測量設(shè)備.由于潮位不斷漲落并與近海海岸發(fā)生作用,海岸線附近的地殼將隨之發(fā)生微小形變.為測量這一微小變化,我們將高精度光纖應(yīng)變傳感器部設(shè)于該測試場(如圖13中Sect.B所示位置),記錄下其測量結(jié)果并與伸縮應(yīng)變計、潮位計等的測量結(jié)果進(jìn)行對比,以檢驗分析其實際效果.

現(xiàn)場實驗中采用的高精度光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)方案與3.2節(jié)中所述方案基本一致(如圖14),改進(jìn)之處在于將原方案中作為參考元件的FFPI更換為同種類型光纖的光纖環(huán)( fiber ring),并將傳感元件更換為π相移光纖光柵,以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測量范圍[24].其系統(tǒng)工作流程與應(yīng)變解調(diào)原理不再贅述.作為傳感元件的π相移光纖光柵在施加預(yù)應(yīng)變張緊后,兩端分別固定于相距1 m的兩個不銹鋼錨,不銹鋼錨插入基巖約30 cm固定;作為參考元件的光纖環(huán)與外界應(yīng)變隔離,放置于傳感元件附近.設(shè)施內(nèi)部由于深入山體并與外界隔離,其溫度變化極為緩慢(年溫差不大于1°C),且測試期間設(shè)施內(nèi)部及附近無人為干擾.

圖13 傳感器現(xiàn)場測試場地示意圖[24]Fig.13.Field experiment con figuration for measurement of crustal deformation at Aburatsubo Bay,Kanagawa,Japan.

圖14 現(xiàn)場實驗中所使用傳感器的系統(tǒng)方案[24]Fig.14.System con figuration of the sensor in field experiment[24].

圖15給出了2014年9月1日起至2014年9月8日一周內(nèi)的測量數(shù)據(jù).其中,圖15(a)為光纖傳感器測得應(yīng)變與實測潮位的比較,可見兩者趨勢一致.另外,可觀察到應(yīng)變曲線相比潮位曲線存在滯后,這與潮位造成地殼形變的傳遞模型相符.圖15(b)為光纖傳感器測得應(yīng)變與伸縮應(yīng)變計測得應(yīng)變的比較,兩者的變化趨勢一致,其幅度的差異主要是傳感器的基線長度及布設(shè)位置不同造成的.光纖應(yīng)變傳感器的基線長度為1 m,其布設(shè)位置更靠近海岸線,因而測量到的海岸基巖形變更大.伸縮應(yīng)變計的基線長度為38 m,所測量到的應(yīng)變?yōu)樵摶€范圍內(nèi)應(yīng)變的平均值.光纖應(yīng)變傳感器的基線長度遠(yuǎn)小于伸縮應(yīng)變計,表明光纖應(yīng)變傳感器在較小基線長度上實現(xiàn)高精度應(yīng)變測量的有效性.

此外,圖16中還給出了2015年3月17日23時48分日本千葉縣發(fā)生里氏3.9級地震前后的應(yīng)變測量數(shù)據(jù).該地震震源深度為100 km,震中距實驗場約100 km,從曲線中可觀察到地震波導(dǎo)致的地殼應(yīng)變劇烈變化.由于光纖應(yīng)變傳感器的快速響應(yīng)特性,其能夠同時測量地震波頻段的應(yīng)變信號與更大時間尺度上的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變信號(如潮汐致地殼應(yīng)變),這一點也體現(xiàn)了高精度光纖應(yīng)變傳感器的優(yōu)良特性.

圖15 2014年9月1日至8日期間日本神奈川縣油壺灣地殼型變觀測站傳感器測得的潮汐致地殼形變數(shù)據(jù)[24] (a)傳感器測得應(yīng)變數(shù)據(jù)及潮位數(shù)據(jù)(9月7日的個別潮汐觀測數(shù)據(jù)缺失,顯示為0 mm);(b)傳感器測得數(shù)據(jù)與伸縮計測量結(jié)果之對比.Fig.15. Field experimental results at Aburatsubo Bay,Kanagawa,Japan,during September 1–8,2014[24]:(a)Measured strain data and oceanic tide level over one week(the red line on 7 Sep.is due to the loss of data);(b)comparison of measured data and externalextensometer.

圖16 2015年3月17日23時48分日本千葉縣發(fā)生里氏3.9級地震前后傳感器測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)[24]Fig.16.Data acquired by the sensor around an earthquake(M3.9 at 23:48,March 17,2015(JST)at Chiba,Japan)[24].

5 結(jié) 論

面向地殼形變觀測的高精度光纖應(yīng)變傳感器是光纖傳感器技術(shù)的重要分支.本文通過介紹一系列的高精度準(zhǔn)靜態(tài)光纖應(yīng)變傳感器的實現(xiàn)方案,闡述了該研究方向近年來的發(fā)展路線,對其中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行說明及討論,并給出了高精度準(zhǔn)靜態(tài)光纖應(yīng)變傳感器的現(xiàn)場測試效果.實驗結(jié)果證明,該技術(shù)相比傳統(tǒng)的地殼形變測量技術(shù)存在諸多優(yōu)勢,有望成為地球物理學(xué)研究中地殼微弱形變觀測等科研方向的新一代有力工具.

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