基于频率均衡器的大动态应变斜坡辅助BOTDR传感系统

 01   导读

斜坡辅助技术作为能使布里渊分布式光纤传感系统实现动态应变探测的解决方案之一，具有成本低、系统简单等优点。然而该技术的应变探测范围通常受限于布里渊散射谱的带宽，在单模光纤中的探测范围低于1000με，限制了该方法在大动态应变测量方面的应用。 近期，广西师范大学胡君辉教授团队提出一种基于频率均衡器的大动态应变斜坡辅助BOTDR系统，利用频率均衡器创造一个人为斜坡，以频率均衡器带宽内的布里渊信息代替单一频率分量的增益作为探测信号，使得斜坡辅助技术的应变测量范围不再取决于布里渊散射谱的带宽而是频率均衡器的带宽，最终在单模光纤上实现了最大为3108με的大动态应变测量。相关成果以“Large dynamic strain measurement via slope-assisted Brillouin optical time domain reflectometry using a frequency equalizer”为题在Optics Letters期刊上发表，广西师范大学硕士研究生刘戈为第一作者，胡君辉教授为通讯作者。

 02  研究背景

斜坡辅助技术利用布里渊散射谱斜坡的近似线性区域，使布里渊频移和布里渊增益之间呈线性相关，通过解调布里渊增益即可获得布里渊频移的变化。该方法无需对布里渊散射谱进行频率扫描，极大地缩短了系统的单次采样周期，非常适合于动态应变测量。然而该方法能够测量的应变范围取决于布里渊散射谱斜坡上的近似线性区域范围，一旦测量的应变所对应的相对频移量超过这个范围，布里渊频移与布里渊增益就不再是线性对应关系，无法通过布里渊增益实现正确的解调。

 03   创新研究

3.1 基于频率均衡器的斜坡辅助测量方法

传统的斜坡辅助测量方法如图1(a)所示，将工作频率固定在布里渊散射谱斜坡上的某处，通过探测单一频率分量的时域信号实现应变的解调。在斜坡辅助BOTDA系统中，工作频率可以通过调整探测光和泵浦光的频率差来选取。而在斜坡辅助BOTDR系统中，则是通过一个额外添加的带通滤波器来过滤出工作频率处的信号。基于频率均衡器的斜坡辅助测量方法如图1(b)所示，将带通滤波器换成频率均衡器，通过频率均衡器制造一个人工的斜坡。此时探测信号不再是单一频率的时域信号，而是频率均衡器内各个频率分量信号的叠加，并且由于频率均衡器对频率增益的线性调制，其信号强度随着频率升高而线性递减。利用这种方法，其斜坡辅助技术的应变测量范围不再依赖于布里渊散射谱的带宽，而是依赖于频率均衡器的调制范围。 

 

图1  两种斜坡辅助测量方法: (a)基于布里渊散射谱; (b) 基于频率均衡器

3.2 大动态应变测量

选择合适的工作频率，搭建斜坡辅助BOTDR系统进行大动态应变测量，其系统结构如图2所示，其系统结构与传统BOTDR系统基本一致，仅仅只需在光电探测器之后再增加一个频率均衡器。传感光纤为约1.94km的单模光纤，振动区域位于距离光纤末端20m处，长度为9.65m。

 

图2  系统实验原理图

在两个不同的振动频率下测量了最大应变为518-3108με的动态应变，其信号如图3所示，测得的应变-信号强度关系分别为0.0044 mV/με@10.3 Hz和0.0041mV/με@13.1Hz。

 

图 3  不同振动频率下的振动信号: (a)10.3Hz; (b)13.1Hz

测量频率的大小与应变噪声通过计算动态应变信号的功率谱密度(PSD)得到，其结果如图4所示。当标定频率为10.3Hz时，应变噪声为17.8dB，最大频率误差为0.5Hz。当标定频率为13.1Hz时，应变噪声为17.6dB，最大频率误差为0.8Hz。

 

图 4  不同标定频率下的PSD: (a)10.3Hz; (b)13.1Hz。不同标定频率下的频率误差: (c)10.3Hz; (d)13.1Hz。

 04   应用与展望

本团队提出了一种基于频率均衡器的大动态应变斜坡辅助BOTDR系统，其测量的应变范围取决于频率均衡器的带宽而不是布里渊散射谱的带宽，显著的提高了斜坡辅助方法的应变测量范围。实验上在普通单模光纤上测得了最大为3108με的动态应变，并且应变和信号强度之间有良好的线性度。该方法的系统结构相对简单，并且成本相对较低，为基于斜坡辅助技术的大动态应变测量提供了一种新的思路。