01導(dǎo)讀

斜坡輔助技術(shù)作為能使布里淵分布式光纖傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變探測(cè)的解決方案之一，具有成本低、系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。然而該技術(shù)的應(yīng)變探測(cè)范圍通常受限于布里淵散射譜的帶寬，在單模光纖中的探測(cè)范圍低于1000με，限制了該方法在大動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量方面的應(yīng)用。 近期，廣西師范大學(xué)胡君輝教授團(tuán)隊(duì)提出一種基于頻率均衡器的大動(dòng)態(tài)應(yīng)變斜坡輔助BOTDR系統(tǒng)，利用頻率均衡器創(chuàng)造一個(gè)人為斜坡，以頻率均衡器帶寬內(nèi)的布里淵信息代替單一頻率分量的增益作為探測(cè)信號(hào)，使得斜坡輔助技術(shù)的應(yīng)變測(cè)量范圍不再取決于布里淵散射譜的帶寬而是頻率均衡器的帶寬，最終在單模光纖上實(shí)現(xiàn)了最大為3108με的大動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。相關(guān)成果以“Large dynamic strain measurement via slope-assisted Brillouin optical time domain reflectometry using a frequency equalizer”為題在Optics Letters期刊上發(fā)表，廣西師范大學(xué)碩士研究生劉戈為第一作者，胡君輝教授為通訊作者。

02研究背景

斜坡輔助技術(shù)利用布里淵散射譜斜坡的近似線性區(qū)域，使布里淵頻移和布里淵增益之間呈線性相關(guān)，通過(guò)解調(diào)布里淵增益即可獲得布里淵頻移的變化。該方法無(wú)需對(duì)布里淵散射譜進(jìn)行頻率掃描，極大地縮短了系統(tǒng)的單次采樣周期，非常適合于動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。然而該方法能夠測(cè)量的應(yīng)變范圍取決于布里淵散射譜斜坡上的近似線性區(qū)域范圍，一旦測(cè)量的應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的相對(duì)頻移量超過(guò)這個(gè)范圍，布里淵頻移與布里淵增益就不再是線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，無(wú)法通過(guò)布里淵增益實(shí)現(xiàn)正確的解調(diào)。

03創(chuàng)新研究

3.1 基于頻率均衡器的斜坡輔助測(cè)量方法

傳統(tǒng)的斜坡輔助測(cè)量方法如圖1(a)所示，將工作頻率固定在布里淵散射譜斜坡上的某處，通過(guò)探測(cè)單一頻率分量的時(shí)域信號(hào)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的解調(diào)。在斜坡輔助BOTDA系統(tǒng)中，工作頻率可以通過(guò)調(diào)整探測(cè)光和泵浦光的頻率差來(lái)選取。而在斜坡輔助BOTDR系統(tǒng)中，則是通過(guò)一個(gè)額外添加的帶通濾波器來(lái)過(guò)濾出工作頻率處的信號(hào)。基于頻率均衡器的斜坡輔助測(cè)量方法如圖1(b)所示，將帶通濾波器換成頻率均衡器，通過(guò)頻率均衡器制造一個(gè)人工的斜坡。此時(shí)探測(cè)信號(hào)不再是單一頻率的時(shí)域信號(hào)，而是頻率均衡器內(nèi)各個(gè)頻率分量信號(hào)的疊加，并且由于頻率均衡器對(duì)頻率增益的線性調(diào)制，其信號(hào)強(qiáng)度隨著頻率升高而線性遞減。利用這種方法，其斜坡輔助技術(shù)的應(yīng)變測(cè)量范圍不再依賴于布里淵散射譜的帶寬，而是依賴于頻率均衡器的調(diào)制范圍。

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圖1 兩種斜坡輔助測(cè)量方法: (a)基于布里淵散射譜; (b) 基于頻率均衡器

3.2大動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量

選擇合適的工作頻率，搭建斜坡輔助BOTDR系統(tǒng)進(jìn)行大動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)BOTDR系統(tǒng)基本一致，僅僅只需在光電探測(cè)器之后再增加一個(gè)頻率均衡器。傳感光纖為約1.94km的單模光纖，振動(dòng)區(qū)域位于距離光纖末端20m處，長(zhǎng)度為9.65m。

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圖2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖

在兩個(gè)不同的振動(dòng)頻率下測(cè)量了最大應(yīng)變?yōu)?18-3108με的動(dòng)態(tài)應(yīng)變，其信號(hào)如圖3所示，測(cè)得的應(yīng)變-信號(hào)強(qiáng)度關(guān)系分別為0.0044 mV/με@10.3 Hz和0.0041mV/με@13.1Hz。

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圖3不同振動(dòng)頻率下的振動(dòng)信號(hào): (a)10.3Hz; (b)13.1Hz

測(cè)量頻率的大小與應(yīng)變?cè)肼曂ㄟ^(guò)計(jì)算動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)的功率譜密度(PSD)得到，其結(jié)果如圖4所示。當(dāng)標(biāo)定頻率為10.3Hz時(shí)，應(yīng)變?cè)肼暈?7.8dB，最大頻率誤差為0.5Hz。當(dāng)標(biāo)定頻率為13.1Hz時(shí)，應(yīng)變?cè)肼暈?7.6dB，最大頻率誤差為0.8Hz。

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圖4不同標(biāo)定頻率下的PSD: (a)10.3Hz; (b)13.1Hz。不同標(biāo)定頻率下的頻率誤差: (c)10.3Hz; (d)13.1Hz。

04應(yīng)用與展望

本團(tuán)隊(duì)提出了一種基于頻率均衡器的大動(dòng)態(tài)應(yīng)變斜坡輔助BOTDR系統(tǒng)，其測(cè)量的應(yīng)變范圍取決于頻率均衡器的帶寬而不是布里淵散射譜的帶寬，顯著的提高了斜坡輔助方法的應(yīng)變測(cè)量范圍。實(shí)驗(yàn)上在普通單模光纖上測(cè)得了最大為3108με的動(dòng)態(tài)應(yīng)變，并且應(yīng)變和信號(hào)強(qiáng)度之間有良好的線性度。該方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，并且成本相對(duì)較低，為基于斜坡輔助技術(shù)的大動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量提供了一種新的思路。