一种利用菲涅尔反射的分布式温度传感系统*

张立欣, 田 敏, 吕安强, 刘紫娟, 耿豪键

(1.华北电力大学 电子与通信工程系,河北 保定071003； 2.华北电力大学 电力物联网技术河北省重点实验室,河北 保定071003)

0 引 言

基于布里渊光时域分析(Brillouin optical time domain analysis,BOTDA)的分布式光纤传感技术利用光纤中的非线性效应,即受激布里渊散射[1,2](stimulated Brillouin scattering,SBS),并通过时域分析手段来获取待测信息从而实现传感,具有精度高、定位准、距离远等特点,且只需测量一次,就能获取待测光纤的信息,已被广泛应用于电力通信、海底光缆、铁路以及结构健康监测等各个领域[3～5]。双端BOTDA系统结构复杂,且在传感光纤断裂后将无法进行检测,因此,本文采用结构简单、成本较低且光纤发生断裂后也能进行检测的单端BOTDA系统[6,7]。2013年,Zhang X等人将COTDR系统与菲涅尔反射单端BOTDA系统相结合,在24 km的传感距离上得到了空间分辨率为5 m、温度精度为1.0 ℃的测量结果[8]。2022年,提出一种脉冲编码单端BOTDA系统,在9.35 km光纤上、采用32 bit编码实现了1.59 ℃温度测量精度[9]。

本文提出一种利用光纤末端菲涅尔反射光作为探测光的单端BOTDA温度传感系统,并采用低频信号源来进行频率扫描,搭建了基于菲涅尔反射的单端BOTDA直接检测系统。

1 理论分析

1.1 菲涅尔反射分布式光纤温度传感原理

如图1所示,从光纤的一端同时入射连续光和脉冲光,以光纤末端菲涅尔反射光为探测光,脉冲光为泵浦光。当二者之间的光频率差等于布里渊频移(Brillouin frequency shift，BFS)，即νP-νF=νB时,二者发生SBS作用,对其探测光检测,可以得到分布的待测信息。

图1 菲涅尔反射分布式光纤温度传感原理

脉冲光和微波调制连续斯托克斯光的菲涅尔反射光之间的SBS作用可由式(1)和式(2)表示[10]

dIP/dz=-gIFIP-αIP

(1)

dIF/dz=-gIFIP+αIF

(2)

式中IP为脉冲光强,IF为经微波调制连续斯托克斯光产生的菲涅尔反射光的光强。通过求解方程上述方程即可求得脉冲的光强

exp[-α(L-z＇ )]dz＇ }

(3)

式中RF为菲涅尔界面反射率,L为光纤长。

1.2 温度传感特性

BFSνB与温度T、应变ε的关系式为

νB(T)=νB0+CT(T-T0)+Cε(ε-ε0)

(4)

式中T0、ε0分别为初始温度和初始应变,CT=(1.20±0.02)MHz/℃为BFS的温度系数,Cε=(0.048 3±0.000 4)MHz/10-6为BFS的应变系数[11]。可知,温度和应变会同时对BFS造成影响,因此,在实际测量过程中,经常会固定一个变量后再对另一个变量进行测量。在温度测量中,将待测光纤尽可能保持在自然状态下(即ε=ε0),以此忽略应变的影响,从而得到νB与T的关系

νB(T)=νB0+CT(T-T0)

(5)

由式(5)可知,只要CT确定,就可以得到νB和T的关系,由此可计算待测光纤在任意温度下的BFS。

2 实验与结果分析

2.1 实验系统

本文采用图2中的单端BOTDA温度传感实验系统进行了温度特性测试。实验采用的光源是线宽为10.3 kHz、中心波长1 550.048 nm的RIO窄线宽激光器,输出光经过50︰50的保偏耦合器分为两路,上支路进入经任意波形函数发生器(AFG)调制的电光调制器1(EOM1)进行脉冲调制生成脉宽为50 ns的脉冲光,其中,EOM1被偏压控制器1(MBC1)锁定在谷点,脉冲光作为系统的泵浦光,之后经由掺铒光纤放大器1(EDFA1)进行信号强度放大,随后再进入光栅滤波器1(FBG1)滤除自发辐射(ASE)噪声。下支路使用微波源(MG)作为电光调制器2(EOM2)的驱动,生成抑制载波的双边带信号,其中,EOM2被偏压控制器2(MBC2)锁定在谷点,之后再进入AFG驱动的电光调制器3(EOM3)调制生成连续光,其中,EOM3被偏压控制器3(MBC3)锁定在谷点,连续光由掺铒光纤放大器2(EDFA2)放大,放大后的信号经过光栅滤波器2(FBG2)滤除ASE噪声和反斯托克斯光。连续光和脉冲光经耦合器合成进入环形器(OC)后再进入扰偏器(PS),PS对其扰偏后进入传感光纤,连续光在光纤末端产生的菲涅尔反射光为探测光,与脉冲光在传感光纤中发生SBS作用,然后，经可调滤波器(TOF)滤除瑞利后进入光电探测器(PD),PD对探测到携带SBS作用的信号直接检测后由示波器(OSC)进行采集和显示。

图2 利用菲涅尔反射单端BOTDA温度传感系统

实验中,采用的待测光纤由长度分别为900,50,920 m标准单模光纤组成,总长约为1.876 km,将中间段(约50 m左右)放置在恒温水浴锅中水浴加热,在30～70 ℃范围内进行温度测试。

2.2 实验结果分析

采用传感脉冲宽度为50 ns,重复频率45 kHz,脉冲峰值功率650 mW,连续光2 mW。将微波信号源频率设置在10.75 GHz,连续光频率设置为50 MHz,改变连续光信号的频率从10.80 GHz扫描到10.94 GHz,扫描步长为5 MHz；待测光纤的其他位置处于室温中,室温恒定在26.8 ℃,将待测光纤50 m的加温段放在恒温水浴锅中,在30～70 ℃范围内,以10 ℃为步进对布里渊增益谱(BGS)进行测量,当每次温度达到设定值且稳定10 min后再开始测量,每次测量时都将示波器设定为平均模式并进行10 000次叠加平均。

以加温50 ℃为例,可以得到如图3所示的三维BGS,从图中可以看出,中间加温段的BFS明显增加。取出在加温段光纤920 m处不同频率下的测量值,对其进行洛伦兹拟合,拟合曲线如图4所示,得到50 ℃下加温段的BFS为10.870 GHz,且拟合误差为0.37 MHz。

图3 50 ℃三维BGS

图4 50 ℃下920 m处BGS

对中间加温段的BGS进行拟合,可以得到如图5所示在不同温度情况下的BFS曲线,从下到上分别为30～70 ℃的BFS曲线。由图可见,BFS与温度的关系呈正相关。

图5 不同温度的BFS曲线

从图6中能够明显看出,在30～70 ℃温度范围下,BFS随着温度的不断升高而呈线性增加,拟合出来的温度系数为1.02 MHz/℃,且拟合误差为1.04 MHz,与双端BOTDA的测量值1.20 MHz/℃基本相符。

图6 BFS与T曲线关系

在加温段(50 ℃)下，取出890～980 m位置处的BGS进行洛伦兹拟合,可以得到如图7所示的BFS分布。由图可知,待测光纤中未给光纤加温的频移在10.845 GHz左右,在中间50 m位置处给光纤加温的频移在10.870 GHz左右。系统采用50 ns的脉冲宽度,根据公式d=cZ/(2n)可得d=5 m,其中,Z为脉冲宽度,d为空间分辨率,c为光速,n为光纤折射率。由图7所示数据可知,在上升段的光纤长度约4.5 m,即此时的空间分辨率约4.5 m,与计算数值基本相符。

图7 50 ℃加温段频移曲线

3 结 论

本文设计的系统在30～70 ℃温度范围所测BFS与温度呈良好的正相关线性关系；利用菲涅尔反射的分布式温度传感系统获得的温度系数为1.02 MHz/℃,与双端BOTDA传感技术所测得的1.20 MHz/℃基本吻合,在1.876 km长的光纤上获得的空间分辨率为4.5 m。