黃 強(qiáng),孫軍強(qiáng),包宇奔,劉新波

(1.華中科技大學(xué) 武漢光電國家研究中心,湖北 武漢 430070；2.多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 邵陽 422000)

1 引 言

自1966年高琨博士開創(chuàng)性的提出通過改進(jìn)工藝降低石英光纖損耗使光纖可用于通信以來,光纖通信、光纖傳感等相關(guān)技術(shù)獲得了前所未有的發(fā)展。近年來,以光波為載體、光纖為媒介、散射為機(jī)制的長距離分布式光纖傳感技術(shù)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。這些機(jī)制主要包括瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射[1-2]。分布式光纖傳感技術(shù)可實(shí)現(xiàn)傳感線路上的成千上萬個(gè)溫度、應(yīng)變點(diǎn)測量,尤其是基于布里淵散射的光纖傳感技術(shù)對(duì)溫度點(diǎn)的測量達(dá)到了上百萬個(gè)。長距離分布式光纖傳感技術(shù)既能對(duì)橋梁、高樓等大型建筑物健康進(jìn)行監(jiān)視[3-4],又能對(duì)高壓架空線路、電力電纜等電力設(shè)施狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視,在一定程度上可以預(yù)防類似于2019年江蘇無錫“1010”橋梁垮塌事故、2012年哈爾濱“824”高架橋垮塌事故、2008年冰災(zāi)的再次發(fā)生,從而減少經(jīng)濟(jì)損失。

長距離分布式布里淵光纖傳感技術(shù)中,布里淵光時(shí)域分析技術(shù)(BOTDA),布里淵光頻域分析技術(shù)(BOTFA)、布里淵光相關(guān)域分析技術(shù)(BOCDA)都是利用泵浦脈沖光和連續(xù)探測光同時(shí)反向傳輸產(chǎn)生受激布里淵散射(SBS)實(shí)現(xiàn)參數(shù)傳感。由于要在傳感光纖兩端注入光波,這就不可避免地限制了布里淵分析技術(shù)的工程應(yīng)用領(lǐng)域。布里淵反射技術(shù)有效地解決了兩端注入問題,現(xiàn)有的技術(shù)有布里淵光時(shí)域反射技術(shù)(BOTDR)、布里淵光頻域反射技術(shù)(BOTFR)、布里淵光相關(guān)域反射技術(shù)(BOCDR)。BOTFR與BOCDR技術(shù)雖然解決了單端注入問題,但傳感的具體較短,一般只有幾公里。相比之下,BOTDR技術(shù)即可以單端注入,又可以實(shí)現(xiàn)長距離分布式傳感,一般能達(dá)到十幾公里,甚至上百公里。

長距離BOTDR光纖傳感系統(tǒng)性能指標(biāo)主要包括信噪比(SNR)、空間分辨率(SR)、傳感距離、測量速度與精度等。為了進(jìn)一步提升這些性能指標(biāo),近二十年以來,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)BOTDR進(jìn)行了廣泛研究。所涉及到的技術(shù)有:高級(jí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)、脈沖編碼技術(shù)、多波長探測技術(shù)、高消光比調(diào)制技術(shù)、消偏技術(shù)、拉曼放大技術(shù)等。本文簡述了BOTDR光纖傳感系統(tǒng)的原理,并綜述了10 km及以上長距離BOTDR光纖傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和研究成果。

2 基本理論分析

布里淵光時(shí)域反射系統(tǒng)基本原理框圖如圖1所示,光源經(jīng)過Y型耦合器將光路分成兩部分,上路為探測光,下路為參考光,探測光經(jīng)過脈沖調(diào)制器將連續(xù)光調(diào)制成脈沖光。脈沖光進(jìn)入三端口環(huán)形器1端口,從2端口出來進(jìn)入傳感光纖,在傳感光纖中產(chǎn)生后向散射,形成斯托克斯光通過3端口與參考光一同進(jìn)入X型耦合器,之后利用光探測器進(jìn)行探測,最后經(jīng)過FPGA、DSP或者計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲得與處理,得到所測量的溫度、應(yīng)變值。

圖1 BOTDR基本原理圖

光在光纖傳輸?shù)倪^程中,由于傳輸在微觀上具有不均勻性,形成了瑞利、拉曼、布里淵三種散射。入射光子與傳輸介質(zhì)微觀粒子發(fā)生非彈性碰撞時(shí),聲學(xué)聲子與光學(xué)光子之間的作用過程就稱為布里淵散射。根據(jù)注入泵浦光功率的大小,布里淵散射分為自發(fā)布里淵(SpBS)與受激布里淵散射(SBS)。對(duì)于脈沖光注入的布里淵閾值功率可根據(jù)公式(1)進(jìn)行估算[5]:

(1)

其中,n為傳輸介質(zhì)折射率;c為光在自由空間中的光速;Aeff為線芯有效面積;G為布里淵閾值系數(shù);g0為布里淵增益峰值系數(shù);τ為泵浦光脈沖寬度。當(dāng)τ=100 ns,在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖,代入相關(guān)數(shù)據(jù)可以得到Pth?28.5 dBm。

在入射光子與微觀粒子發(fā)生非彈性碰撞時(shí),根據(jù)能量、動(dòng)量守恒,當(dāng)產(chǎn)生斯托克斯光子時(shí)有:

hυP=hυS+hυA

(2)

(3)

(4)

其中,GB為布里淵增益譜;Δω為布里淵增益帶寬;υB為布里淵頻移;G0為峰值功率。結(jié)合式(2)、(3)可以看出,泵浦光與斯托克斯光子之間發(fā)生了頻率變化,泵浦光與斯托克斯光子頻率差即頻移量(BFS)由式(5)進(jìn)行計(jì)算[6]:

(5)

其中,vA為光纖中聲場聲速;λP為光源泵浦光中心波長。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)單模玻璃光纖,當(dāng)泵浦脈沖光中心波長為1550 nm,溫度為20 ℃時(shí),由式(5)可以得到布里淵頻移υB約為11.1 GHz。通過研究實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),布里淵頻移(BFS)隨環(huán)境溫度和光纖軸向應(yīng)變的變化呈線性變化,具體滿足式(6):

υB(T,ε)=υB(T0,ε0)+CT(T-T0)+Cε(ε-ε0)

(6)

其中,CT、Cε分別為BFS溫度和應(yīng)變系數(shù);T0、ε0分別為初始溫度和應(yīng)變。在應(yīng)變一定的情況下,BFS與溫度的關(guān)系滿足式(7):

υB(T)=υB(T0)+υB(T0)×1.18×10-4ΔT

(7)

另一方面在溫度一定的情況下,BFS與應(yīng)變的關(guān)系滿足式(8):

υB(ε)=υB(ε0)+υB(ε0)×4.48Δε

(8)

在室溫20 ℃,λP=1550 nm,代入標(biāo)準(zhǔn)單模光纖參數(shù),結(jié)合式(7)、(8)可得,在應(yīng)變一定的情況下,溫度每變化1 ℃,BFS變化1.1 MHz；在溫度一定的情況下,應(yīng)力每變化1 με,BFS變化0.05 MHz。另外,光纖中溫度與應(yīng)變的變化位置可由式(9)計(jì)算[7]:

(9)

根據(jù)理論分析,當(dāng)注入泵浦光功率超過閾值時(shí),會(huì)產(chǎn)生受激布里淵散射、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制等非線性效應(yīng),引起傳感系統(tǒng)性能下降,可知單純的通過提高注入泵浦光功率來改善傳感距離的作用是有限的。那么如何來提高10 km及以上長距離布里淵光時(shí)域反射光纖傳感系統(tǒng)的性能,本文總結(jié)了近20年長距離BOTDR傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與進(jìn)展。

3 10 km及以上長距離BOTDR傳感系統(tǒng)

3.1 基于數(shù)據(jù)處理的BOTDR技術(shù)

在長距離光纖傳感系統(tǒng)中,要獲得高精度的布里淵增益譜(BGS)和布里淵頻移(BFS),就必須對(duì)采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,傳統(tǒng)的方法一般是曲線擬合和快速傅里葉變換。近十幾年以來,研究者對(duì)曲線擬合以及快速傅里葉變換的算法進(jìn)行了改善,也在2019年引入了一些諸如機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能算法,獲得了一些成果。

2007年,美國NP光子學(xué)公司Jihong Geng課題組采用典型的快速傅里葉變換(FFT)結(jié)合先進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),為開發(fā)實(shí)時(shí)分布式光纖傳感器奠定了基礎(chǔ)[8]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果一方面證實(shí)了布里淵頻移與溫度和應(yīng)力的關(guān)系,溫度每變化一度,布里淵頻移改變1.10 MHz,應(yīng)力每變化1 με,布里淵頻移改變0.05 MHz；另一方面將30 km的光纖分成了七段,采用50 ns脈寬的脈沖測取了BFS以及布里淵散射功率,實(shí)現(xiàn)了5 m空間分辨率。在光纖10.55 km開始處的200 m光纖中測得溫度為38.5 ℃,在25.65 km開始處的30 m光纖中測得溫度為38.5 ℃,在25.73 km開始處4.4 km光纖中測得溫度為39.5℃。

2013年,南京大學(xué)張旭蘋課題組為提高系統(tǒng)空間分辨率而提出了一種子劃分迭代法,在50 km傳感光纖中,用100 ns探測脈沖獲得1.5 m的空間分辨率。實(shí)際系統(tǒng)SR由探測光脈沖寬度τ以及探測系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間τ′共同決定,τ′指的是光電探測器的帶寬,包括探測器PD、濾波器、放大器等器件的響應(yīng)時(shí)間,所以系統(tǒng)SR可表示為:

(10)

在子劃分迭代法中為實(shí)現(xiàn)高SR,將ΔZ分成m等份,如圖2所示[9],在Z0點(diǎn)檢測到的布里淵信號(hào)是分別在m個(gè)位置所產(chǎn)生的布里淵信號(hào)疊加,可表示為:

(11)

(12)

圖2 子劃分迭代法

2015年,為了提高光纖傳感距離,保證一定的空間分辨率,印度P.K.Sahu課題組提出了一種傅里葉小波正則化反卷積(FourWaRD)算法[10]。在論文中對(duì)FourD、FourRD 和 Four-WaRD 三種算法進(jìn)行了對(duì)比分析,傳感距離達(dá)到了70 km,空間分辨率為10 m。

2016年,重慶大學(xué)朱濤課題組結(jié)合相敏光學(xué)時(shí)域反射法(Φ-OTDR)和BOTDR在10 km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中同時(shí)對(duì)振動(dòng)、溫度和應(yīng)變的進(jìn)行了測量[11],一方面實(shí)現(xiàn)了3 m空間分辨率的4.8 KHz振動(dòng)傳感；另外在BOTDR中采用高斯窗函數(shù)短時(shí)傅里葉變換(G-STFT)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,由于不用對(duì)頻率進(jìn)行掃頻,縮短了系統(tǒng)的測量時(shí)間,并將空間分辨率提高到了0.8 m。G-STFT數(shù)據(jù)處理算法原理具體如下:為了獲得時(shí)域拍頻信號(hào)在t時(shí)刻的頻譜,將拍頻信號(hào)分成等長的短部分并與寬度為tg的高斯窗函數(shù)進(jìn)行相乘,可表示為公式(13),具體過程如圖3、圖4所示。

圖3 拍頻信號(hào)分成等長的短部分

圖4 高斯窗短時(shí)傅里葉變換過程

(13)

其中,g(t)為高斯窗函數(shù);g(t)表達(dá)式如公式(14)所示:

(14)

其中,τg為高斯窗函數(shù)的半峰全寬(FWHM)。根據(jù)Heisenberg-Gabor不確定性原理[12],窗口信號(hào)寬度為τg和頻譜帶寬的乘積不應(yīng)小于一個(gè)常數(shù),另外了為了保證一定的空間分辨率和測量精度,綜合各方面因素τg取略小于激光脈沖的半峰全寬τp；tg=12τg；時(shí)域時(shí)間點(diǎn)t移動(dòng)步長τs=τp/5。在數(shù)百個(gè)周期平均后,可以得到t位置處的短時(shí)傅里葉變換的頻譜,之后采用加權(quán)洛倫茲非線性擬合方法得到準(zhǔn)確的BFS中心頻率,如圖5所示。

圖5 加權(quán)洛倫茲非線性擬合

2017年,南京大學(xué)張旭蘋課題組利用快速傅里葉變換與互補(bǔ)脈沖編碼相結(jié)合的方法[13],在10 km 長的單模光纖中實(shí)現(xiàn)了0.37 MHz頻率誤差的2 m空間分辨率,0.37 ℃左右的溫度分辨率和7.4 με左右的應(yīng)變分辨率,系統(tǒng)測量時(shí)間比傳統(tǒng)的方法快了10倍。2018年,太原理工大學(xué)靳寶全課題組為減系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理器的帶寬要求而提出了對(duì)數(shù)探測策略,并在10 km長的光纖中驗(yàn)證了其方法的優(yōu)越性[14],在同樣的均方根誤差、空間分辨率及測量精度下,有效地減小了數(shù)據(jù)處理器的帶寬?；驹砣缦?如圖6所示,將傳感光纖分成S1、S2、S3三部分,每部分對(duì)應(yīng)的BFS為ωB1、ωB2、ωB3,且滿足ωB1<ωB2<ωB3,忽略光纖損耗,混合器Mixer輸出電流imix(t)可等效成如圖6(a)所示的頻率調(diào)制正弦波。假設(shè)帶通濾波器(BPF)的中心頻率為ωCF,調(diào)整可調(diào)電本地振蕩器(ELO)輸出信號(hào)頻率ωELO,使得ωCF=ωELO-ωB2,則BFS為ωB1、ωB3的信號(hào)將被濾除,最終通過BPF的測量信號(hào)如圖6(b)所示。

圖6 BOTDR系統(tǒng)信號(hào)流

為實(shí)現(xiàn)1 m的空間分辨率,ωCF設(shè)置成200 MHz,若通過BPF的信號(hào)直接進(jìn)入數(shù)據(jù)采集裝置(DAQ),則DAQ的帶寬至少為200 MHz,利用對(duì)數(shù)探測技術(shù)可有效降低DAQ帶寬,其輸出電壓由公式(15)表示:

Vout=20×k×lg(Pin/Pout)

(15)

被測高頻信號(hào)通過對(duì)數(shù)探測器轉(zhuǎn)換成矩形脈沖信號(hào),如圖7中粗黑線框所示,在空間分為1 m的情況下,脈沖上升時(shí)間trp須小于10 nm,可得矩形脈沖信號(hào)帶寬BW為:

(16)

在實(shí)際應(yīng)用中,數(shù)據(jù)采集裝置的帶寬應(yīng)接近信號(hào)帶寬的1.5倍,取50 MHz,與之前所需DAQ帶寬為200 MHz相比,減小了四分之三。

圖7 對(duì)數(shù)探測的帶寬減小效應(yīng)

3.2 基于不同脈沖形式的BOTDR技術(shù)

脈沖編碼主要有線性碼型(如Simplex碼)和相關(guān)碼型(如補(bǔ)償Golay碼)兩種形式?，F(xiàn)以Simplex碼為例,說明脈沖編碼的基本原理。Simplex矩陣是由“0”“1”組成的單極性矩陣,將由“-1”“1”組成的Hadamard矩陣歸一化可以得到Simplex矩陣,其行元素“0”和“1”對(duì)應(yīng)時(shí)域上激光器的關(guān)與開。

如圖8所示[15],ψi(t)表示脈寬為τ的單脈沖Pi(t)注入光纖后BOTDR系統(tǒng)測量軌跡。為了在時(shí)域中應(yīng)用Hadamard變換,定義Pi(t)=P1(t-(i-1)τ),則ψi(t)=ψ1(t-(i-1)τ),考慮接收器的噪聲信號(hào),編碼軌跡ηi(t)可表示為:

圖8 脈沖編碼時(shí)域信號(hào)圖

(17)

(18)

ψi(t-(i-1)τ)=ψ1(t)

(19)

不同的脈沖形狀能引起系統(tǒng)具有不同的信噪比(SNR)[16],在相同的脈沖寬度或者相同的空間分辨率下,采用三角形脈沖作為探測光的系統(tǒng)SNR高于其他脈沖形狀。一方面通過理論分析和實(shí)驗(yàn)證實(shí)了,在脈沖寬度為200 ns、采用相干測探技術(shù)的情況下,與矩形脈沖相比,采用梯形脈沖和三角形脈沖形成的相干探測功率譜的SNR分別提高3 dB和4.8 dB,并且相應(yīng)的光譜線寬有所減小,這一現(xiàn)象有利于進(jìn)一步提高光纖傳感的距離。另外相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究也進(jìn)一步驗(yàn)證了Lorentzian,Gaussian脈沖的有效性[17],也出現(xiàn)了各種不同的脈沖編碼形式來提高BOTDR系統(tǒng)的性能[18]。

2008年,意大利M.A.Soto課題組采用光脈沖編碼和直接探測技術(shù)實(shí)現(xiàn)了布里淵分布式溫度傳感,無光脈沖放大的情況下,在21 km長的色散位移光纖中實(shí)現(xiàn)了3.1 K的溫度分辨率和40 m的空間分辨率[19]。同年,該課題組分析了基于LPR(Landau-Placzek ratio)(朗道比)的光脈沖編碼技術(shù)對(duì)傳感系統(tǒng)的影響[20],理論上分析了采用脈沖編碼能有效提高系統(tǒng)的SNR和溫度的測量精度,實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了與傳統(tǒng)的方法比較,采用127位單純編碼(Simplex coding)的傳感系統(tǒng),SNR提高了7.1 dB,輸入10 dBm的峰值功率情況下,在30 km長的光纖傳感中實(shí)現(xiàn)了5 K的溫度測量精度和42 m的空間分辨率。2009年,該課題組繼續(xù)分析了采用127位單純光脈沖編碼對(duì)傳感系統(tǒng)的均方根噪聲和分辨率參數(shù)的影響[21],采用光脈沖編碼技術(shù)降低了系統(tǒng)的均方根誤差,與傳統(tǒng)的方法比較系統(tǒng)精度提高了約1.5倍。由于系統(tǒng)SNR的提高,在53 km的光纖傳感中溫度分辨率達(dá)到了8.8 K,應(yīng)變分辨率達(dá)到了220 με。

2010年,為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)SNR,南京大學(xué)張旭蘋課題組將Hadamard 序列探測脈沖應(yīng)用到BOTDR系統(tǒng)中,注入-13 dBm的低峰值功率編碼光脈沖,在37 km長的光纖中測試了光纖的溫度和應(yīng)力引起的布里淵頻移[22]。

3.3 基于多波長探測技術(shù)的BOTDR技術(shù)

多波長相干探測技術(shù)能提高BOTDR系統(tǒng)的SNR、測量精度,以及最大化泵浦功率,基本原理圖如圖9所示。在頻率間隔不大于光探測器所能探測的前提下,將探測光脈沖頻率等間隔分成N份,用υi(i=1,2,3,…,N)來表示,相鄰頻率之間相差Δυ,則第i個(gè)光脈沖產(chǎn)生的斯托克斯光和反斯托克斯光頻率為υi-υBi和υi+υBi,分別與頻率為υi-υLO和υi+υLO參考光進(jìn)行拍頻,其中υBi為布里淵頻移,υLO為第i個(gè)脈沖光與第i個(gè)本地振蕩器頻率差。2012年,南京大學(xué)張旭蘋課題組利用三波長相干探測技術(shù)對(duì)23.6 km長的光纖進(jìn)行了測試[23],結(jié)果表明與傳統(tǒng)的單波長相干探測系統(tǒng)比較SNR提高了4.2 dB,由于縱坐標(biāo)采用的是5 lg對(duì)數(shù)值,圖中指示只有2.1 dB。2017年,英國諾森比亞大學(xué)N.Lalam課題組利用多波長探測技術(shù)在10 km光纖中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)[24],結(jié)果表明系統(tǒng)SNR提高了3.92 dB。

圖9 多波長相干探測原理圖

2018年,N.Lalam[25]課題組結(jié)合多波長探測技術(shù)和無源消偏器的方法,對(duì)25 km的光纖傳感線路進(jìn)行了測試,與傳統(tǒng)的方法相比,系統(tǒng)SNR提高了4.85 dB。同年,該課題組結(jié)合多波長探測技術(shù)和無源消偏器,以及采用布里淵環(huán)形激光器(BRL)作為本地振蕩器[26],可以進(jìn)一步減小探測器的帶寬,并在50 km的光纖中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明該系統(tǒng)具有5 m的空間分辨率,SNR提高了5.1 dB,與傳統(tǒng)的BOTDR系統(tǒng)相比提高了180 %。

2018年,南京航天航空大學(xué)路元?jiǎng)傉n題組從理論上分析了基于波分復(fù)用的BOTDR系統(tǒng)通道容量對(duì)系統(tǒng)的影響[27],與傳統(tǒng)的單波長探測BOTDR系統(tǒng)比較,多波長具有一定的優(yōu)勢。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,若在大有效面積光纖中,采用11波長數(shù)的BOTDR系統(tǒng),SNR能提高了8.4 dB；若在SMT-28光纖中,采用7波長數(shù)的BOTDR系統(tǒng),SNR能提高了7.2 dB。

3.4 基于高消光比調(diào)制的BOTDR技術(shù)

在基于頻率掃描的BOTDR系統(tǒng)中,光的泄露會(huì)增加額外噪聲,從而降低整個(gè)傳感系統(tǒng)的信噪比,惡化系統(tǒng)BFS和溫度的測量精度。高消光比電光調(diào)制器能有效減少系統(tǒng)的漏光,增加SNR與傳感距離。2013年,南京大學(xué)路元?jiǎng)傉n題組從理論和實(shí)驗(yàn)證明了上面這一點(diǎn)[28],在23.9 km的光纖傳感系統(tǒng)中,電光調(diào)制器的消光比從50 dB減小到25 dB情況下,系統(tǒng)最高溫度的誤差從1.9 ℃增加到5.6 ℃。2014年,南京大學(xué)張旭蘋課題組采用同步光開關(guān)技術(shù)與高消光比電光調(diào)制器[29],在48.5 km長光纖中,當(dāng)電光調(diào)制器的消光比從35升高到65 dB,系統(tǒng)測量最大溫度誤差從5.2 ℃減小到0.8 ℃。

2019年,太原理工大學(xué)靳寶全課題組利用增益開光調(diào)制技術(shù)將系統(tǒng)消光比提高到51.26 dB,比傳統(tǒng)的電光調(diào)試器(EOM)高約16 dB[30],通過實(shí)驗(yàn),在9.941 km長的傳感光纖中,測得BFS的均方根誤差為0.78 MHz,與傳統(tǒng)常規(guī)的EOM相比,下降了1.71 MHz；波動(dòng)幅度從7.84 MHz減小到2.76 MHz；另外在1 m空間分辨率、相同測量情況下,傳感光纖的長度提高到了27.5 km。

3.5 基于拉曼作用的BOTDR技術(shù)

拉曼與布里淵的結(jié)合,主要用于解決布里淵光纖傳感系統(tǒng)的溫度應(yīng)變交叉敏感和延長傳感距離問題。FP激光器的多縱模特性使得系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精確的自發(fā)拉曼散射測量和對(duì)所有縱模布里淵頻移進(jìn)行高靈敏度相干檢測[31]。對(duì)于溫度的分布可以通過拉曼散射產(chǎn)生的反斯托克斯光功率、后向瑞利散射光功率與絕對(duì)溫度之間的關(guān)系得到,計(jì)算公式如(20)式所示。

(20)

其中,IAS、IRS分別為反斯托克斯光、后向瑞利散射光功率；h為普朗克常數(shù)；ΔυR是拉曼反斯托克斯光與泵浦光頻率間隔；k為玻爾茲曼常數(shù)；T是熱力學(xué)溫度值。先通過公式(20)計(jì)算出傳感光纖溫度變化,再結(jié)合布里淵頻移和公式(8)計(jì)算出應(yīng)變,由此來解決溫度和應(yīng)變交叉敏感問題。

在BOTDR系統(tǒng)中,隨著傳感距離的增加,探測光脈沖和布里淵散射光功率呈指數(shù)衰減,從而限制了傳感距離。2015年,浙江大學(xué)宋牟平課題組結(jié)合單向泵浦拉曼放大探測脈沖光和布里淵散射信號(hào)延長BOTDR系統(tǒng)傳感距離[32],實(shí)驗(yàn)證明,通過調(diào)節(jié)拉曼泵浦功率和EDFA增益等參數(shù),可以實(shí)現(xiàn)100 km的傳感,并具有±3℃的溫度分辨率和40 m的空間分辨率。

3.6 其他

為提高長距離BOTDR光纖傳感系統(tǒng)的性能,除了采用以上數(shù)據(jù)處理、脈沖編碼、多波長探測、高消光比調(diào)制、拉曼技術(shù)之外,還有單光子探測、消偏等其他方面的相關(guān)技術(shù)。

1999年,英國南安普頓大學(xué)H.H.Kee利用蘭道-普拉克塞克比率(Landau-Placzek ratio)補(bǔ)償和級(jí)聯(lián)馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)技術(shù)[33],在15 km長的光纖中實(shí)現(xiàn)了溫度分辨率為4 ℃、空間分辨率為10 m、應(yīng)變分辨率為290 με的傳感。2011年,南京大學(xué)張旭蘋課題組采用無源消偏器克服BOTDR系統(tǒng)中的偏正噪聲[34],理論分析了該方法的可行性,并結(jié)合MZI,在探測光脈沖寬度為30 ns的24 km光纖中首次實(shí)現(xiàn)了3 m的空間分辨率和1 ℃的溫度測量誤差。同年,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所郝蘊(yùn)琦課題組采用高摻鉺光纖和高非線性光纖構(gòu)成緊湊單頻布里淵光纖激光器(BFL)的寬帶頻移技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[35]。將一個(gè)穩(wěn)定的單頻BFL作為相干檢測的本地振蕩器(LO),BFL工作在紅移0.084 nm(約10.5 GHz)的1549.06 nm波長,激光器SNR大于50 dB,線寬約3.1 kHz,在20 km的傳感光纖中自發(fā)布里淵散射與LO之間的拍頻約為420 MHz,頻率波動(dòng)小于2 MHz。在此研究的基礎(chǔ)上,2013年,該課題組繼續(xù)研究了光源線寬對(duì)BOTDR系統(tǒng)性能的影響[36],通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真結(jié)果表明,采用窄線寬的激光器有利于提高傳感系統(tǒng)的測量精度。

2014年,鹽城工學(xué)院王如剛課題組通過改善光路結(jié)構(gòu)來提高傳感系統(tǒng)性能,采用EDFA后向泵浦[37],在80 km的光纖中實(shí)現(xiàn)了0.5 ℃的溫度誤差和10 m的空間分辨率傳感。同年,上海光學(xué)精密機(jī)械研究所葉青課題組從理論上分析了偏正衰落引起傳感性能下降的原因,提出了一種由兩個(gè)偏振分束器(PBS)組成的延遲馬赫-曾德干涉儀(MZI)產(chǎn)生具有正交偏振態(tài)的探測脈沖光方案,這種使用無源器件的方法比較適用于實(shí)際場合。2016年,南京大學(xué)張旭蘋課題組采用單光子探測技術(shù)[39],在42.5 km長的光纖中實(shí)現(xiàn)了1.2 m的空間分辨率和1.7 ℃的溫度誤差傳感。同年,太原理工大學(xué)劉瑞霞課題組通過解調(diào)布里淵增益譜邊帶[40],提高布里淵光時(shí)域反射儀測溫精度,相同的測量條件下,在10.2 km 的光纖上實(shí)現(xiàn)了0.5℃的測溫精度,系統(tǒng)信噪比提高了4.35 dB。

近年來,研究者也將特種光纖應(yīng)用到布里淵光纖傳感。2019年,南京大學(xué)路元?jiǎng)傉n題組采用溝槽輔助多模光纖(TA-OM4)提高BOTDR系統(tǒng)SNR[41]。TA-OM4具有高的SBS和高的調(diào)制不穩(wěn)定性閾值優(yōu)點(diǎn),在15.5 km長的光纖中與G655和G657光纖相比SNR分別提高了1.1 dB和2.3 dB,并具有5 m的空間分辨率和0.3 ℃的溫度誤差。

4 結(jié)論與展望

本文分析了BOTDR光纖傳感系統(tǒng)的基本原理,回顧總結(jié)了10 km及以上長距離BOTDR系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),主要從提高SNR、傳感距離、測量精度和速度、空間分辨率等系統(tǒng)性能指標(biāo)展開,包括數(shù)據(jù)處理、脈沖編碼、多波長探測、高消光比調(diào)制、拉曼、窄線寬光源、單光子探測、采用特種光纖等技術(shù)。由于BOTDR系統(tǒng)的單端注入與測量等方面優(yōu)點(diǎn),使得BOTDR在大型建筑、橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測、輸電線路的應(yīng)力監(jiān)測等長距離分布式參量的傳感得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過近二十年的發(fā)展,研究成果取得了很大的進(jìn)展,但還存在空間分辨率(SR)不高、整個(gè)系統(tǒng)測量時(shí)間長和交叉敏感等問題。如何進(jìn)一步提高系統(tǒng)SNR、SR、傳感距離、縮短整個(gè)系統(tǒng)的測量時(shí)間,優(yōu)化多個(gè)性能參數(shù)；如何進(jìn)一步增加除溫度/應(yīng)變傳感參量,提升系統(tǒng)功能；如何進(jìn)一步解決溫度/應(yīng)變交叉敏感問題都將成為長距離BOTDR系統(tǒng)的發(fā)展方向。