低温长距离光纤传感系统研究范文

本站小编为你精心准备了低温长距离光纤传感系统研究参考范文，愿这些范文能点燃您思维的火花，激发您的写作灵感。欢迎深入阅读并收藏。

《中国公路学报》2015年第十二期

摘要：

针对目前青藏高原多年冻土区高速公路工程构筑物监测急需解决的问题，提出了低温条件下长距离监测的分布式布里渊光纤监测传感技术方案，并使用差分脉冲布里渊光时域分析（DPP－BOTDA）技术在单模光纤中开展了分布式光纤传感试验研究。使用120ns／100ns和110ns／100ns脉冲对组合在50km光纤传感长度上进行试验，研究2种脉冲对组合对应的布里渊增益谱、布里渊频移和信号的信噪比，探索了低温条件下长距离监测的分布式布里渊光纤技术空间分辨率和测量精度的关系。结果表明：试验得到的光纤传感系统具有50km传感距离，1m空间分辨率和6．552×10－6应变传感精度，弥补了中长距离传感范围研究的空白。

关键词：

道路工程；光纤传感系统；DPP－BOTDA；受激布里渊散射；长距离传感；空间分辨率

青藏高速公路穿越高原腹地多年冻土区，自然环境复杂，年均气温－3℃～－5℃，昼夜和早晚温差大，对路基、路面造成了严重损害，对人民的生命和财产构成了巨大威胁。因此，对青藏高速公路路基、路面等关键位置进行监测的任务迫在眉睫。青藏高速公路地处高原地区，地形复杂、自然环境条件恶劣、气温低、生态环境保护要求高，这大大增加了布置传感器的难度，且高速公路动辄数十km，中途穿越隧道、无人区，因此，需要寻求一种布线简单，适应于低温、长距离，且能在恶劣环境下存活的传感器。光纤作为一种以光为媒介的传感器，抗电磁干扰能力强，能够适应恶劣的自然环境且损耗低，适用于长距离传感。光纤本身既是信号的传输通道，又是传感器。现阶段最新的光纤传技术可以实现2cm空间分辨率［1］和150km传感距离［2］，以及几十Hz的分布式动态测量技术，可以解决长距离、高空间分辨率等高速公路急需解决的结构健康监测的技术难题。目前，国内有关分布式光纤传感技术在高速公路方面的应用研究较少：李丽芳［3］使用光纤分布式温度监测系统（DTS）对广州汕梅高速公路北斗—清潭段进行了应用研究；刘玉涛［4］使用布里渊光时域反射技术进行了路基沉降变形监测的相关研究。基于受激布里渊散射的光纤可以同时对外界环境进行温度和应变的分布式探测，因而广泛应用于高速公路以及土木工程的结构健康监测中。分布式布里渊光纤传感器以光纤作为传光介质和传感单元，可以实现对待测目标在空间上连续的应变测量，且布线简单、易于组网，具有测量距离长和空间分辨率高的特点，因此非常适用于高速公路这样的长距离、大尺度构筑物的路基、路面的健康监测。

基于受激布里渊散射的分布式光纤传感器最早于1989年被提出来［5］，经过这些年的发展以及众多研究者的不懈努力，该光纤传感系统被不断改进，Li等［6］首次提出差分脉冲对（DifferentialPulse－widthPair，DPP）技术提高布里渊光时域分析（BOTDA）系统的空间分辨率，试验上分别使用50ns／49ns脉冲对获得0．18m空间分辨率和20ns／19ns脉冲对获得0．15m空间分辨率，光纤长度1km，布里渊频移（BrillouinFrequencyShift，BFS）精度2．6MHz。空间分辨率不是由脉冲对差值决定，而是由脉冲对的上升和下降时间决定。Dong等［7］使用差分脉冲布里渊光时域分析（DPP－BOTDA）技术实现了12km的传感距离，其空间分辨率为1m，布里渊增益谱（BrillouinGainSpectrum，BGS）宽33MHz，布里渊增益信噪比超过10ns脉冲的7倍。Minardo等［8］对单脉冲和双脉冲与空间分辨率的关系进行了数值仿真分析，基于BGS的形状重新定义了空间分辨率，同时研究了脉冲的上升和下降时间对空间分辨率的影响。

Dong等［1］对DPP－BOTDA技术进一步优化，使用8．0ns／8．2ns脉冲对在2km光纤长度上实现2cm空间分辨率，温度传感精度为2℃。Minardo等［9］指出BFS和BGS的浮动对DPP－BOTDA传感精度造成影响，强调差分脉冲对的信噪比对BGS的变化非常敏感，特别是在脉冲对差值较小时，并且提出一种提高测量精度的补偿方法。目前，基于布里渊散射原理的分布式光纤传感技术在高速公路领域的应用研究还没有相关报道。本文以青藏高速公路为研究对象，使用DPP－BOTDA技术在单模光纤中进行分布式光纤传感研究。分别使用120ns／100ns和110ns／100ns脉冲对组合在50km光纤传感长度上进行试验，研究2种脉冲对组合对应的BGS，BFS及其信号的信噪比，探索空间分辨率和测量精度的关系。

1DPP－BOTDA技术原理

布里渊光时域分析技术包括2束反向传播的光波，即泵浦光和探测光。泵浦光和探测光的频率差被称为BFS，布里渊散射光的光谱被称为BGS。通过逐步改变泵浦光和探测光的频率差，使其在BFS附近变化，就可以获得BGS。由于光纤中每点的BFS与该点的受力状态和温度变化有关，通过对BGS中心频移的解调，便可得知该点处温度或应变的大小。通常，泵浦光为脉冲光，探测光为连续光，脉冲光的宽度决定分布式探测的空间分辨率。泵浦光在光纤中传播时与探测光相互作用，光纤中各点依次发生受激布里渊散射效应，产生斯托克斯光。通过计算斯托克斯光与泵浦光的时间差，便可在时域上进行分析。信号中每个时间点所对应光纤中的位置z为。在BOTDA系统中，要想提高系统的空间分辨率，一种有效的方法是减小泵浦脉冲宽度。然而窄脉冲的谱非常宽，这会导致BGS展宽，从而降低测量精度；另一方面，由于受到光纤中声子寿命（10ns）限制，在BOTDA系统中很难实现1m以下的空间分辨率。DPP－BOTDA技术使用2个连续的脉冲注入光纤，通过对所获得的布里渊信号在时域上做差，达到提高空间分辨率的效果。通常2个脉冲的宽度可以为几十ns至上百ns，2个脉冲宽度差值为几ns甚至零点几ns，这样既可以提高信号的信噪比，又可以提高空间分辨率。在DPP－BOTDA技术中，2个脉冲宽度越大，差分信号就越强，BFS测量精度越高；另一方面，2个脉冲宽度差越小，空间分辨率越高，BFS测量精度越低。除此之外，脉冲对的上升和下降时间应该小于等价脉冲对差的时间。

2试验装置

图1为DPP－BOTDA试验装置。图1中试验装置工作原理大致如下：分布反馈式光纤激光器发出的1550nm激光通过50％∶50％耦合器被分成2路光，即泵浦光和探测光；下路泵浦光经过偏振控制器后被调制成线偏振光，然后进入电光调制器，在电脑控制下，通过任意函数生成器将泵浦光调制成连续的脉冲光；扰偏器将其偏振态随机扰乱以减小偏振态导致的测量误差；掺铒光纤放大器将其放大，然后进入待测光纤；上路探测光在直流源和微波源共同作用下被电光调制器调制成3种光，即上、下一阶边带和被抑制的载波；探测光经过衰减后进入待测光纤；泵浦光与探测光在传感光纤中发生受激布里渊散射，探测光的下一阶边带被窄带光纤布拉格光栅滤出，随后，斯托克斯光通过光电探测器转换成电信号，并由示波器显示。

3试验结果与讨论

图2为泵浦光和探测光频差为10832MHz时，示波器上DPP－BOTDA时域信号和脉冲对为120ns／100ns时的加热区域时域信号。光纤总长度为50km，由2段25km的光纤组成。泵浦光功率为278mW，探测光功率为1．82mW。示波器采样频率200MHz，信号平均采集2000次。扫频范围为10780～10960MHz，步长为4MHz。由图2（a）可以看出，在信号中间处信号强度略有差异，说明光纤两端的BFS略有不同。在传感光纤的尾端，将2段长度为3m间隔为4m的光纤放入高温炉内加热至60℃，室温为29℃，其时域信号见图2。由于2段3m受热光纤的布里渊中心频移高于其他未受热光纤，因此在信号尾端存在2段信号的偏移，表明受热部分的信噪比较好。在光纤尾端可以清晰观察到信号强度仍有较大落差。

泵浦光和探测光频率差设定为10832MHz时，120ns／100ns布里渊时域信号差分过程如图3所示。由图3可知：脉冲宽度为120ns的布里渊信号上升区域对应空间分辨率为12m；脉冲宽度为100ns的布里渊信号上升区域对应空间分辨率为10m；120ns布里渊信号与100ns布里渊信号差分所获得的时域信号对应空间分辨率为2m。所获得的BGS三维图如图4所示。由于光纤长度为50km，此处仅给出光纤最后300m左右的BGS三维图。由于使用差分脉冲技术，BGS信噪比较单脉冲技术获得的信噪比有所降低，但仍然可以有效测量由图5（a）可知，光纤BFS曲线的上升沿为2m，表明差分脉冲对技术可以实现2m的空间分辨率，光纤两端的波形差异主要由拟合误差所致。由图6（a）可以看出，未加热时光纤的BGS的增益强度信噪比要高于加热时光纤的信噪比。高温炉内光纤的BGS存在2个峰值，第1个峰值与未加热时光纤BGS的峰值相同，这主要由电光调制器（EOM）在调制泵浦脉冲光时残留的连续光所致，在实际测量中可以将其排除掉；第2个峰值受热光纤BGS的BFS为10864MHz，光纤BFS从室温29℃时的10832MHz上升到高温度内60℃时的10864MHz，对应温度系数约为1．03MHz•℃－1，这与文献［1］中的结果基本一致。

110ns／100nsBFS如图5（b）所示，光纤BFS上升沿为1m，对应1m空间分辨率，这与理论符合较好。未受热部分光纤的BFS为10830MHz左右，与120ns／100ns时的BFS基本一致；然而受热部分光纤的BFS为10850MHz，较120ns／100ns时光纤的BFS减小了10MHz左右，这主要是由于拟合时产生的误差导致的。图6（b）中加热光纤的BGS仍存在2个峰值。随着脉冲对差值的减小，差分信号的信噪比逐渐降低，导致泵浦脉冲光中直流连续光分量所产生的BGS在整体中所占比重逐渐增加，这也是图5（b）中BFS拟合出现较大偏差的主要原因。

由图5，6可得，泵浦脉冲光为120ns／100ns时，传感光纤BGS的线宽为38MHz，BFS为10832MHz，测量标准误差为0．283MHz，对应的温度和应变传感精度分别为0．283℃和5．903×10－6；泵浦脉冲光为110ns／100ns时，传感光纤BGS的线宽（半高前宽）为44MHz，测量标准误差为0．319MHz，对应的温度和应变传感精度分别为0．319℃和6．552×10－6。随着差分脉冲对间隔的减小，DPP－BOTDA技术的空间分辨率逐渐提高；所获得的BGS信噪比逐渐降低，探测精度逐渐下降。这说明空间分辨率越高，信噪比越低，测量精度越低。DDP－BOTDA技术可以提供更窄的BGS，具有更高的空间分辨能力，但由于受限于信号的信噪比，其测量精度较低。实际测量结果表明，DPP－BOT－DA技术在空间分辨率和测量精度之间存在交换关系。也就是说，空间分辨率越高，测量精度越低；反之，测量精度越高，分辨率越低。目前可以实现的最高空间分辨率为2cm（传感长度为2km），最长传感距离为150km（空间分辨率为2m），可以看出，空间分辨率和传感距离很难同时兼顾。本文的试验结果（即50km传感距离为50km，空间分辨率为1m，温度和应变传感精度分别为0．319℃和6．552×10－6），可以弥补中长距离传感范围研究的空白，为后续研究提供参考。另外，文献［10］中使用相干布里渊光时域分析技术仅实现的空间分辨率为3m，传感距离为40km，温度精度为1．8℃。

4结语

（1）试验使用差分脉冲布里渊光时域分析技术在单模光纤中进行了分布式光纤传感试验研究，得出了不同脉冲对组合对光纤的BFS，BGS和信号信噪比的影响以及空间分辨率和测量精度的关系。（2）所研究的光纤传感系统的传感距离为50km，空间分辨率为1m，温度和应变传感精度分别为0．319℃和6．552×10－6，弥补了中长距离传感范围研究的空白，为后续研究提供了参考。（3）在未来的研究中，需使用高消光比电光调制器提高信噪比，降低拟合误差，提高测量精度，延长传感距离。

作者：张娟 李金平 董永康 单位：中交第一公路勘察设计研究院有限公司 哈尔滨工业大学 航天学院