01 導讀

光纖布里淵分布式傳感技術利用光纖中布里淵散射光頻率對于溫度和應變的依賴，可以實現溫度和應變的分布式傳感，常常用于大型基礎設施的健康監測。但是掃頻等費時的采樣過程限制了系統采樣頻率，使得系統難以滿足動態參數測量的需求。

斜坡輔助技術利用布里淵散射譜斜坡的近似線性區域，使得接收信號的功率隨著布里淵頻移的改變而產生線性的變化，可實現高速動態應變傳感。然而，普通單模光纖的布里淵散射譜線寬通常為40MHz左右，對應能測得的應變小于1000με。針對此問題，廣西師范大學胡君輝教授團隊提出一種基于漸變折射率多模光纖的大動態應變SA-BOTDR傳感系統，該系統使用漸變折射率多模光纖作為傳感光纖，利用單模光纖與多模光纖錯位熔接的方法使得光纖中自發布里淵散射譜展寬，使其具有更寬的近似線性區域，并利用單斜坡輔助技術在1km的傳感光纖上實現最大應變為3000με的大動態應變測量。相關成果以“Large dynamic strain range slope-assisted Brillouin optical time domain reflectometry based on graded-index multi-mode fiber”為題發表在Optics Express期刊上。廣西師范大學碩士研究生劉戈和陸杭林博士為論文共同第一作者，胡君輝教授和陽麗教授為共同通訊作者。

02 研究背景

在傳統的布里淵時域傳感系統中，一般通過掃描向后散射光與參考光（BOTDR）或者泵浦光和探測光（BOTDA）之間的頻率差來獲取完整的布里淵增益/損耗譜，再通過洛倫茲擬合獲取布里淵頻移（BFS），最終得到溫度或者應變信息，整個過程十分耗時，限制了基于布里淵傳感系統的采樣率。斜坡輔助技術利用布里淵譜邊帶的近似線性區域，將布里淵頻移的變化轉化為接收信號的功率變化。該過程無需掃描整個布里淵譜，只需要將工作頻率設置在近似線性區域的中點處，通過增益和布里淵頻移的線性對應關系即可獲得溫度或者應變信息，該技術避免了掃頻過程，能顯著提高系統的采樣率，非常適合用于測量動態參量。然而，布里淵增益譜近似線性區的寬度限制了系統測量的應變范圍。在基于普通單模光纖的布里淵傳感系統中，由于單模光纖的布里淵譜線寬約為40MHz，對應的應變測量范圍小于1000με，無法用于大動態應變傳感。最近，一些研究者也提出了一些測量大動態應變的傳感方案，例如多斜坡輔助、布里淵增益相位比等技術，然而這些方案也相應地增加了系統地復雜程度。本文研究了漸變折射率多模光纖中的布里淵譜展寬現象，利用展寬的布里淵譜實現了最大應變為3000με的動態應變測量。

03 創新研究

3.1 漸變折射率多模光纖布里淵譜展寬研究

本工作首先對錯位熔接導致的多模光纖布里淵譜展寬進行了研究。當單模光纖和多模光纖對芯熔接時，多模光纖中只有角階數為0的光學模式和聲學模式被激發（LP01，LP02，…；A01， A02，…），如圖1（a， b）所示，由于不同聲學模式導致的布里淵頻移和增益不同，最終得到的布里淵譜是所有布里淵譜的疊加。但由于A01模式的耦合效率最高，最終的布里淵譜也只是比A01所激發的布里淵譜略微展寬，如圖1（c）所示。通過錯位熔接，多模光纖中各個模式的耦合效率隨著錯位熔接偏移量的變化如圖2所示，可以看到隨著偏移量的增加，更多角階數不為0的光學模式被激發，對應可以激發更高階的聲學模式，并且LP01模式的耦合效率逐漸下降，模式分配更加均衡，可以使得最終的布里淵譜進一步展寬。

圖1 對芯熔接下光學模式 （a） 和聲學模式 （b） 的耦合效率; （c） 所對應的布里淵增益譜。

圖2 光學模式耦合效率隨熔接偏移量增加的變化。

通過圖3所示的傳統BOTDR系統研究了單模光纖與多模光纖不同偏移量對布里淵譜的影響，實驗測量的結果與仿真結果的比較如圖4所示。圖4（a），（b）和（c）分別展示了單模光纖與多模光纖偏移量為0μm， 5μm，8μm下的布里淵譜，可以看出仿真和實驗結果基本吻合。此外，本工作還研究了模式混合對布里淵譜的影響，采集了在光纖前面增加彎曲和應變影響下的布里淵譜，并與未增加彎曲和應變的布里淵譜相比較，如圖4（c）所示，彎曲和應變造成的模式混合對布里淵譜的輪廓有輕微的影響，但是影響結果在可以接受的范圍內。

圖3 BOTDR系統實驗原理。

圖4 單模光纖與多模光纖不同熔接偏移量下輸出的布里淵譜： （a）0μm; （b）5μm; （c） 8μm; （d）偏移量為8μm時通過濾波器后信號強度與工作頻率之間的關系。

3.2 大動態應變測量實驗

為了采集動態應變數據，采用一個高速示波器作為數據采集裝置，并且為了使示波器只采集信號的所需頻率部分，在光電探測器的后端加上了一個中心頻率為220MHz， 帶寬為80MHz的電學濾波器，圖4（d）展示了示波器接收的信號強度隨著工作頻率的變化，可以看出布里淵譜得到進一步展寬，帶寬約為200MHz，并且在右端有一個約160MHz的近似線性區域。利用一個快速軸向伸縮裝置對距光纖末端20m處施加軸向應變，應變施加區域光纖長度為10m。圖5（a）和（b）分別展示了在不同振動頻率下信號強度隨時間的變化，振動頻率已事先標定。圖5（c）展示了應變和信號強度間的對應關系，可以看出在振動頻率為7.83Hz時，信號強度和應變的對應關系為0.00296 mV/με，而當振動頻率為15.47Hz時為0.00292 mV/με。

圖5 應變區域內信號強度的變化（a） 7.83Hz; （b） 15.47Hz; （c） 信號強度與應變之間的線性關系。

為了測量測得的振動頻率與標定頻率之間的誤差，對圖5（a）和（b）的數據進行傅里葉變換，結果如圖6所示。可以看出在標定振動頻率為7.83Hz時測得的振動頻率為8Hz，誤差為0.17Hz。標定頻率為15.47Hz時，應變在1500-2500με情況下測得的振動頻率為16Hz，在3000με情況下為14Hz，誤差分別為0.53Hz和1.47Hz。上述實驗證明該方案可以實現最大應變為3000με的動態應變測量，并且具有良好的線性度。

圖6 測得的振動頻率（a） 7.83Hz; （b） 15.47Hz.

04 應用與展望

本團隊提出了一種基于漸變折射率多模光纖的大動態應變傳感方案，在單斜坡輔助方法下可以測得最大3000με的動態應變。與其它實現大動態應變的測量方案相比，只需要在BOTDR系統中對單模光纖和多模光纖錯位熔接和增加一個電學濾波器，顯著的降低了系統的復雜度和成本。該方案展現了其在測量大動態應變工程中的應用潛力，并為大動態應變測量提供了一種新思路。

審核編輯：郭婷