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高空间分辨率差分脉冲对BOTDA传感系统
摘要：本文主要介绍了一种使用了等效计量脉冲的差分脉冲对布里渊时域分析技术，该方案采用时域分析技术，使用不同的脉冲宽度情况下（例如49ns和50ns）的脉冲光形成在每个光纤位置的差分布里渊增益谱，对在相同的布里渊扫描频率下获得的波形做减法处理。空间分辨率由小应力区段的上升和下降时间等效纤维长度的平均值而不是脉冲宽度差等效长度来定义。对于50 / 49ns脉冲对，空间分辨率为0.18m，对于1km感应长度，20 / 19ns脉冲对的空间分辨率为0.15m，布里渊频移精度可以达到2.6MHz。
- 简介
基于受激布里渊散射（SBS）的光纤分布式传感器，如布里渊光时域分析（BOTDA），已被广泛用于土木结构健康监测的结构变形和应变测量[1,2]，因为它们具有高空间分辨率的分布式应变传感的能力。众所周知，传统BOTDA系统中的空间分辨率是脉冲宽度等效光纤长度的空间覆盖，较短的脉冲宽度代表较高的空间分辨率。然而，短脉冲宽度也代表短SBS相互作用长度，这导致较弱的布里渊增益信号和宽带电子器件对光学器件的要求更高，也需要更低的信噪比。当脉冲宽度小于10ns时，布里渊增益谱（BGS）迅速扩展到100MHz以上（相当于1m的空间分辨率），加宽的BGS导致泵浦效率低于30MHz的自然布里渊频谱宽度，因此需要高泵浦功率。另一方面，高泵浦功率可能在共振布里渊频率和失真布里渊频谱中引入布里渊增益饱和。空间分辨率和布里渊频移分辨率之间的冲突使得在BOTDA或BOTDR系统中同时难以在千米感应长度上实现高空间分辨率和高应变或温度分辨率。
最近据报道，当cw预泵浦光和脉冲光（探测光束）的组合与cw光（泵浦光束）相互作用时，预泵浦光放大声子场以产生强烈的斯托克斯信号。该技术用于开发具有厘米空间分辨率的BOTDA系统，使用1.5ns探针脉冲[3,4]。探测信号的cw预脉冲部分在整个感测长度上与泵浦光束相互作用而没有空间信息，而泵浦光与探测信号的脉冲部分的相互作用提供了与前置相干相加的位置信息，泵浦增强布里渊信号用于应变或温度测量。然而，当感测长度非常长（几千米）时，将难以控制探测信号的DC部分的量。由于来自DC水平的整个感测长度的预泵浦使布里渊信号形成背景布里渊增益谱，其远大于来自小应力纤维段的布里渊谱，因此，应变或温度引起的布里渊信号必须克服来自DC电平诱导的布里渊增益谱的预泵浦，以便可以检测并在空间上分辨。这设定了最小可检测应力或温度部分的极限，对于公里感应长度，脉冲消光比必须非常高（gt; 20-30dB）。.
本文提出了一种新型DPP-BOTDA系统，用于高空间分辨率传感，通过使用超过千米感应长度的长持续时间脉冲（数十纳秒）来检测厘米光纤段上的小应变或温度变化。该方案采用在BGS脉冲对之间的每个扫描布里渊频率处的差分波形减法，该BGS脉冲对通过将具有不同脉冲宽度tau;和tau; delta;tau;（tau;gt; 10纳秒和delta;tau;lt;lt;tau;）的两个分离的探测脉冲注入到传感光纤而获得。差分BGS具有比使用具有脉冲宽度tau;或tau; delta;tau;的探测脉冲获得的空间分辨率高得多的空间分辨率，这与两个脉冲宽度delta;tau;之间的差异，所用脉冲的上升和下降时间以及带宽检测有关。所提出的DPP-BOTDA系统具有以下优于传统BOTDA的优点：1）获得具有窄线宽（lt;30MHz）的BGS，由于探测脉冲持续时间长，所以提高了布里渊频移测量的精度;2）可以使用高消光比（gt; 30dB）脉冲，而不需要对长光纤长度（千米）进行预抽，因此减少了由于cw分量泄漏引起的串扰[5]。通过仔细选择tau;和tau; delta;tau;值，证明了空间分辨率lt;0.2m，1km光纤长度的精度为2-3MHz。DPP-BOTDA的工作原理以及实验装置和结果将在以下章节中介绍。
- 背景
单模光纤中SBS的理论模型可以用泵浦和斯托克斯波的耦合波方程来描述，场振幅分别为场振幅和，与声场相互作用。
（1）
（2）
（3）
其中n是折射率，c是真空中的光速，B g是增益因子。Gamma;是声波的阻尼常数，Gamma;=Gamma;1 Gamma;2，Gamma;1是声子场的阻尼时间，二氧化硅光纤的Gamma;1=phtau;~10ns，Gamma;2是失谐角频率Gamma;2=pi;nu;-nu;B，nu;是泵浦和探测波之间的拍频，其中泵浦激光器被调谐。nu;B是光纤的局部布里渊频率。对于z = 0处的脉冲斯托克斯波的边界条件和z=L处的cw泵浦波，可以数值求解等式（1）至（3）以分别计算和。在计算中，光脉冲采用20阶超高斯形状，应力纤维轮廓为0.2m长方形。
作为由泵和探测波在任何位置处相互作用产生的增强声子场，z = 0处的声子场强度以等式（6）表示。等式（6）描述了这样的过程，该过程通过在z = 0时的cw泵浦波的强度来测量。计算表明，在脉冲前沿和脉冲中心进入应力光纤段之间的时间段内，时间布里渊增益信号经历指数增长，并由声子场Gamma;的阻尼时间调制。当脉冲中心开始离开应力部分时，时间布里渊增益信号迅速衰减，阻尼常数由脉冲下降时间和声子弛豫时间决定。当通过向光纤注入具有不同脉冲宽度tau;和tau; delta;tau;的一对脉冲光获得两个时间布里渊增益信号时，这两个信号的减法消除了常用项，例如相等的温度或应力部分，并保留我们检测到的由脉冲宽度差异引起的差分布里渊增益而不是由长周期脉冲引起的布里渊增益引起的差异。
（4）
（5）
（6）
该差分处理在图1中示意性地示出，其中I（0，t，tau;）和I（0，t，tau; delta;tau;）表示通过使用一对脉冲光在z = 0处获得的时间布里渊增益信号。在特定的失谐频率下具有不同的脉冲宽度tau;和tau; delta;tau;，并且I（0，delta;tau;）表示它们之间的差异。
图1 DPP-BOTDA的原理是使用具有不同脉冲宽度的脉冲对来获得由两个脉冲宽度的差异和脉冲的上升和下降时间确定的高空间分辨率。
对于位置z处的小应力纤维截面，其在脉冲宽度tau;和tau; delta;tau;内的相对位置以及布里渊增益是不同的。因此，布里渊信号的减法允许在零背景下检测这种差异，如图1所示。因此，DPP-BOTDA能够检测脉冲覆盖长度delta;z=cdelta;tau;/ 2的小应力或温度部分。通过调整频率差nu;-nu;B并重复测量时间布里渊增益信号并获取波形差，可以沿光纤映射差分BGS，其分辨率由两个脉冲宽度的差值和上升时间决定。传统BOTDA和基于模拟的DPP-BOTDA的3D曲线示于图4和图5中。图2（a）和2（b）作为频移v-4B的函数，范围从12780到12880MHz。传统BOTDA系统中使用的脉冲宽度为50ns，DPP-BOTDA中使用的脉冲宽度为50和49ns。受应力光纤段的长度为0.2m，布里渊频移为12860MHz（无应力光纤的布里渊频率为12800MHz）。从图2（a）可以看出，BOTDA曲线显示了受5m感应长度覆盖的6m位置的应力纤维截面，与50ns脉冲相匹配。在图2（b）中，DPP-BOTDA曲线定位了应力纤维截面，覆盖范围很窄，空间分辨率更高，可以计算为0.85m。与通过差分处理引入并且可以校准的BOTDA曲线相比，DPP-BOTDA曲线中存在大约半脉冲宽度的位置偏移。通过较小的上升/下降时间可以进一步改善空间分辨率。显然，DPP-BOTDA比传统的BOTDA具有更好的空间分辨率和频移测量精度。
图2 沿着传感光纤的3D BOTDA光谱，用于0.2m长度的光纤部分，60MHz布里渊频率从12800MHz移动。（a）使用50ns脉冲光的常规BOTDA，和（b）使用50和49ns脉冲对的DPP-BOTDA。
图3计算出50ns脉冲光（实心）的常规BOTDA和50 / 49ns脉冲对的DPP-BOTDA，峰值布里渊频移为12860MHz，各种应力段长度为0.2m（划线），1.0m（点）和1.5m（脉冲）
图3显示了在布里渊频移12860MHz时使用50和49ns脉冲对计算的DPP-BOTDA信号的变化应力长度。所有情况下的空间分辨率约为1m，受声子寿命的限制。可以看出，DPP-BOTDA增益信号的应力光纤部分的中心偏离传统BOTDA增益信号的中心约ctau;/ 4，这是脉冲长度的一半。在计算中，应变在应力光纤段的两个布里渊频率nu;= 12860MHz和nu;B= 12800MHz之间变化。我们假设应变分布呈方形，应变变化长度为0.02m。这解释了图3中相似的的空间分辨率0.85m。虽然脉冲宽度为几十纳秒，但是由于在较小的应力纤维段上检测到差分布里渊增益并且可以实现更高的空间分辨率，所以有效地减小了声子弛豫时间，这将在以下实验结果中得到证明。值得注意的是，DPP-BOTDA差分波形的减法与高通滤波器的效果有一些类比，其中缓慢变化分量被去除，因为它们代表tau;和tau; delta;tau;脉冲的相同布里渊增益，并且快速变化的分量在差分信号中被放大。时间布里渊增益信号中的快速变化分量可以通过非共振布里渊频率失配引入。
在DPP-BOTDA中也可以看出，两个脉冲宽度之间的差异越大，差分信号越强，布里渊频移的测量精度越高;另一方面，两个脉冲宽度之间的差异越小，空间分辨率越高，频移的测量精度越低。另外，应该选择脉冲对的上升/下降时间短于等效脉冲宽度差delta;tau;和检测带宽的倒数，以实现最小的空间分辨率。
- 实验结果
DPP-BOTDA实验如图4所示，它基于BOTDA型系统。脉冲斯托克斯光束被注入传感光纤并经历布里渊放大，形成反向传播的cw泵浦光束。测量泵浦光束中的功率下降的大小，同时在布里渊损耗光谱上扫描激光器之间的频率差。通过使用一对脉冲光束探测光纤并使用DPP-BOTDA处理，光纤的布里渊位移由差分光谱确定，并用于计算传感光纤的应变或温度。激光源是在1320nm下操作的Nd：YAG激光器。峰值脉冲功率约为12mW，探头功率为4mW。脉冲斯托克斯的上升/下降时间为5ns。使用1GHz带宽AC耦合光电探测器监测时域信号，并且在每个频率步长处获得4000个平均值。
图4 配置DPP-BOTDA传感系统。 PD：光电探测器，FUT：被测光纤，EOM：电光调制器。 脉冲宽度由脉冲发生器控制。
以2MHz的间隔记录时域信号以产生布里渊增益谱。被测光纤长1km，包括两个0.5m的应力段，由1m松散纤维隔开，如示意性地示于图5（a）中。图5（b）显示了通过常规BOTDA使用50ns脉冲获得的BGS与距离和布里渊频率的记录3D图。可以看出，在5m位置处发生的两个0.5m应力纤维段在~9m的距离上彼此重叠。因此，由于5m空间分辨率的限制，中间的1m松散纤维在空间上没有被解析。BGS的线宽约为30MHz。
图5 （a）传感光纤布局有两个应力部分，分别为2,000和3,000微应变，由1m松散纤维隔开。（b）使用50ns脉冲从传统BOTDA获得BGS的3D图。
图6 DPP-BOTDA使用（a）50 / 45ns脉冲对和（b）50 / 48ns脉冲对的BGS的3D图。 后者显示出更好的空间分辨率和更细的光纤特征。
图6显示了50/45ns脉冲对（A）和50/48ns脉冲对（B）用dpp-botda获得的BGS的三维图。如图所示，尽管脉冲宽度为50、48和45ns，比应力长度长得多，但两个0.5m的应力光纤段和1m的松光纤仍能清晰地分辨出来。58m处应力截面的双峰是由两个拉伸点在大应变下引起的额外应变引起的，其中胶水不能很好地固定纤维。如图6所示，DPP-BOTDA精确解析了应力纤维段的长度为0.5米，松纤维段的长度为1米，其空间分辨率远高于图3所示的计算分辨率0.85米。如前一节所述，理论计算表明最小可检测纤维长度约为0.85，这受声子弛豫时间的限制。如前一节所述，理论计算表明最小可检测纤维长度约为0.85，这受声子弛豫时间的限制。然而，在实验中，情况并非如此，因为在脉冲长度内，只有一小部分布里渊增益保持不变，而绝大多数布里渊相互作用被DPP-BOTDA微分过程以及慢变声子寿命效应所消除。所用的光电探测器及其放大系统的带宽约为1GHz，能够在时域分析中解决0.1m的空间调制问题。BOTDA单独使用50ns、45ns和48ns脉冲宽度获得的3dgbs曲线具有相似的信噪比（SNR），而使用50/45ns和50/48ns脉冲对得到的DPP-BOTDA的信噪比分别与26db和18db的信噪比略有不同，如图所示。然而，后一种情况具有更好的空间分辨率，并且显示传感光纤的更精细特征，如图6（b）所示。在实验中，在400兆赫范围内以2兆赫的频率间隔记录时域信号，并在每个频率步骤中取4000个平均值。使用高速Acquris DC 240数据采集板和LabVIEW 8.2控制接口，只需4-5分钟即可完成整个测量。
图7 使用具有不同脉冲上升/下降时间的脉冲对的不同DPP-BOTDA的比较：（a）20 / 19ns脉冲对，tau;r= 0.67ns和（b）tau;r= 2ns，（c）20 / 15ns脉冲对 tau;r= 0.67ns，（d）tau;r= 2ns
本文还研究了脉冲光Rtau;的上升/下降时间对DPP-BOTDA空间分辨率的影响。实验装置如参考文献[7]所述，其中两个激光源是波长为1550nm的两个DFB激光器。采用5米保偏光纤（PMF），在PMF中部有0.2米的受力截面。松散PMF在室温下的布里渊频率约为10590MHz，而应力段的布里渊频移等效为约10690MHz。泵功率为5MW，脉冲峰值功率为~2.4MW。利用20/19ns的脉冲对，其上升/下降时间分别为，tau;r=0.67ns和tau;r=2ns，得到作为位置和频率函数的DPP-Botda曲线，其顶视图如图7所示。同样，图中显示了上升时间为tau;r=0.67ns和tau;r=2ns的20/15ns脉冲对的DPP-BOTDA。分别为7（c）和7（d）。显然，使用20/15ns脉冲对的差分增益信号比使用20/19ns脉冲对的差分增益信号强。虽然脉宽差与图6中50/49脉冲对的脉宽差相同，但随着上升时间的缩短，空间分辨率得到了
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资料编号：[1306]
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