低溫長距離光纖傳感系統(tǒng)研究范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了低溫長距離光纖傳感系統(tǒng)研究參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《中國公路學(xué)報(bào)》2015年第十二期

摘要：

針對(duì)目前青藏高原多年凍土區(qū)高速公路工程構(gòu)筑物監(jiān)測(cè)急需解決的問題，提出了低溫條件下長距離監(jiān)測(cè)的分布式布里淵光纖監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)方案，并使用差分脈沖布里淵光時(shí)域分析（DPP－BOTDA）技術(shù)在單模光纖中開展了分布式光纖傳感試驗(yàn)研究。使用120ns／100ns和110ns／100ns脈沖對(duì)組合在50km光纖傳感長度上進(jìn)行試驗(yàn)，研究2種脈沖對(duì)組合對(duì)應(yīng)的布里淵增益譜、布里淵頻移和信號(hào)的信噪比，探索了低溫條件下長距離監(jiān)測(cè)的分布式布里淵光纖技術(shù)空間分辨率和測(cè)量精度的關(guān)系。結(jié)果表明：試驗(yàn)得到的光纖傳感系統(tǒng)具有50km傳感距離，1m空間分辨率和6．552×10－6應(yīng)變傳感精度，彌補(bǔ)了中長距離傳感范圍研究的空白。

關(guān)鍵詞：

道路工程；光纖傳感系統(tǒng)；DPP－BOTDA；受激布里淵散射；長距離傳感；空間分辨率

青藏高速公路穿越高原腹地多年凍土區(qū)，自然環(huán)境復(fù)雜，年均氣溫－3℃～－5℃，晝夜和早晚溫差大，對(duì)路基、路面造成了嚴(yán)重?fù)p害，對(duì)人民的生命和財(cái)產(chǎn)構(gòu)成了巨大威脅。因此，對(duì)青藏高速公路路基、路面等關(guān)鍵位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)的任務(wù)迫在眉睫。青藏高速公路地處高原地區(qū)，地形復(fù)雜、自然環(huán)境條件惡劣、氣溫低、生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求高，這大大增加了布置傳感器的難度，且高速公路動(dòng)輒數(shù)十km，中途穿越隧道、無人區(qū)，因此，需要尋求一種布線簡(jiǎn)單，適應(yīng)于低溫、長距離，且能在惡劣環(huán)境下存活的傳感器。光纖作為一種以光為媒介的傳感器，抗電磁干擾能力強(qiáng)，能夠適應(yīng)惡劣的自然環(huán)境且損耗低，適用于長距離傳感。光纖本身既是信號(hào)的傳輸通道，又是傳感器。現(xiàn)階段最新的光纖傳技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)2cm空間分辨率［1］和150km傳感距離［2］，以及幾十Hz的分布式動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)，可以解決長距離、高空間分辨率等高速公路急需解決的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的技術(shù)難題。目前，國內(nèi)有關(guān)分布式光纖傳感技術(shù)在高速公路方面的應(yīng)用研究較少：李麗芳［3］使用光纖分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（DTS）對(duì)廣州汕梅高速公路北斗—清潭段進(jìn)行了應(yīng)用研究；劉玉濤［4］使用布里淵光時(shí)域反射技術(shù)進(jìn)行了路基沉降變形監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究。基于受激布里淵散射的光纖可以同時(shí)對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行溫度和應(yīng)變的分布式探測(cè)，因而廣泛應(yīng)用于高速公路以及土木工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中。分布式布里淵光纖傳感器以光纖作為傳光介質(zhì)和傳感單元，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)目標(biāo)在空間上連續(xù)的應(yīng)變測(cè)量，且布線簡(jiǎn)單、易于組網(wǎng)，具有測(cè)量距離長和空間分辨率高的特點(diǎn)，因此非常適用于高速公路這樣的長距離、大尺度構(gòu)筑物的路基、路面的健康監(jiān)測(cè)。

基于受激布里淵散射的分布式光纖傳感器最早于1989年被提出來［5］，經(jīng)過這些年的發(fā)展以及眾多研究者的不懈努力，該光纖傳感系統(tǒng)被不斷改進(jìn)，Li等［6］首次提出差分脈沖對(duì)（DifferentialPulse－widthPair，DPP）技術(shù)提高布里淵光時(shí)域分析（BOTDA）系統(tǒng)的空間分辨率，試驗(yàn)上分別使用50ns／49ns脈沖對(duì)獲得0．18m空間分辨率和20ns／19ns脈沖對(duì)獲得0．15m空間分辨率，光纖長度1km，布里淵頻移（BrillouinFrequencyShift，BFS）精度2．6MHz。空間分辨率不是由脈沖對(duì)差值決定，而是由脈沖對(duì)的上升和下降時(shí)間決定。Dong等［7］使用差分脈沖布里淵光時(shí)域分析（DPP－BOTDA）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了12km的傳感距離，其空間分辨率為1m，布里淵增益譜（BrillouinGainSpectrum，BGS）寬33MHz，布里淵增益信噪比超過10ns脈沖的7倍。Minardo等［8］對(duì)單脈沖和雙脈沖與空間分辨率的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，基于BGS的形狀重新定義了空間分辨率，同時(shí)研究了脈沖的上升和下降時(shí)間對(duì)空間分辨率的影響。

Dong等［1］對(duì)DPP－BOTDA技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，使用8．0ns／8．2ns脈沖對(duì)在2km光纖長度上實(shí)現(xiàn)2cm空間分辨率，溫度傳感精度為2℃。Minardo等［9］指出BFS和BGS的浮動(dòng)對(duì)DPP－BOTDA傳感精度造成影響，強(qiáng)調(diào)差分脈沖對(duì)的信噪比對(duì)BGS的變化非常敏感，特別是在脈沖對(duì)差值較小時(shí)，并且提出一種提高測(cè)量精度的補(bǔ)償方法。目前，基于布里淵散射原理的分布式光纖傳感技術(shù)在高速公路領(lǐng)域的應(yīng)用研究還沒有相關(guān)報(bào)道。本文以青藏高速公路為研究對(duì)象，使用DPP－BOTDA技術(shù)在單模光纖中進(jìn)行分布式光纖傳感研究。分別使用120ns／100ns和110ns／100ns脈沖對(duì)組合在50km光纖傳感長度上進(jìn)行試驗(yàn)，研究2種脈沖對(duì)組合對(duì)應(yīng)的BGS，BFS及其信號(hào)的信噪比，探索空間分辨率和測(cè)量精度的關(guān)系。

1DPP－BOTDA技術(shù)原理

布里淵光時(shí)域分析技術(shù)包括2束反向傳播的光波，即泵浦光和探測(cè)光。泵浦光和探測(cè)光的頻率差被稱為BFS，布里淵散射光的光譜被稱為BGS。通過逐步改變泵浦光和探測(cè)光的頻率差，使其在BFS附近變化，就可以獲得BGS。由于光纖中每點(diǎn)的BFS與該點(diǎn)的受力狀態(tài)和溫度變化有關(guān)，通過對(duì)BGS中心頻移的解調(diào)，便可得知該點(diǎn)處溫度或應(yīng)變的大小。通常，泵浦光為脈沖光，探測(cè)光為連續(xù)光，脈沖光的寬度決定分布式探測(cè)的空間分辨率。泵浦光在光纖中傳播時(shí)與探測(cè)光相互作用，光纖中各點(diǎn)依次發(fā)生受激布里淵散射效應(yīng)，產(chǎn)生斯托克斯光。通過計(jì)算斯托克斯光與泵浦光的時(shí)間差，便可在時(shí)域上進(jìn)行分析。信號(hào)中每個(gè)時(shí)間點(diǎn)所對(duì)應(yīng)光纖中的位置z為。在BOTDA系統(tǒng)中，要想提高系統(tǒng)的空間分辨率，一種有效的方法是減小泵浦脈沖寬度。然而窄脈沖的譜非常寬，這會(huì)導(dǎo)致BGS展寬，從而降低測(cè)量精度；另一方面，由于受到光纖中聲子壽命（10ns）限制，在BOTDA系統(tǒng)中很難實(shí)現(xiàn)1m以下的空間分辨率。DPP－BOTDA技術(shù)使用2個(gè)連續(xù)的脈沖注入光纖，通過對(duì)所獲得的布里淵信號(hào)在時(shí)域上做差，達(dá)到提高空間分辨率的效果。通常2個(gè)脈沖的寬度可以為幾十ns至上百ns，2個(gè)脈沖寬度差值為幾ns甚至零點(diǎn)幾ns，這樣既可以提高信號(hào)的信噪比，又可以提高空間分辨率。在DPP－BOTDA技術(shù)中，2個(gè)脈沖寬度越大，差分信號(hào)就越強(qiáng)，BFS測(cè)量精度越高；另一方面，2個(gè)脈沖寬度差越小，空間分辨率越高，BFS測(cè)量精度越低。除此之外，脈沖對(duì)的上升和下降時(shí)間應(yīng)該小于等價(jià)脈沖對(duì)差的時(shí)間。

2試驗(yàn)裝置

圖1為DPP－BOTDA試驗(yàn)裝置。圖1中試驗(yàn)裝置工作原理大致如下：分布反饋式光纖激光器發(fā)出的1550nm激光通過50％∶50％耦合器被分成2路光，即泵浦光和探測(cè)光；下路泵浦光經(jīng)過偏振控制器后被調(diào)制成線偏振光，然后進(jìn)入電光調(diào)制器，在電腦控制下，通過任意函數(shù)生成器將泵浦光調(diào)制成連續(xù)的脈沖光；擾偏器將其偏振態(tài)隨機(jī)擾亂以減小偏振態(tài)導(dǎo)致的測(cè)量誤差；摻鉺光纖放大器將其放大，然后進(jìn)入待測(cè)光纖；上路探測(cè)光在直流源和微波源共同作用下被電光調(diào)制器調(diào)制成3種光，即上、下一階邊帶和被抑制的載波；探測(cè)光經(jīng)過衰減后進(jìn)入待測(cè)光纖；泵浦光與探測(cè)光在傳感光纖中發(fā)生受激布里淵散射，探測(cè)光的下一階邊帶被窄帶光纖布拉格光柵濾出，隨后，斯托克斯光通過光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并由示波器顯示。

3試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2為泵浦光和探測(cè)光頻差為10832MHz時(shí)，示波器上DPP－BOTDA時(shí)域信號(hào)和脈沖對(duì)為120ns／100ns時(shí)的加熱區(qū)域時(shí)域信號(hào)。光纖總長度為50km，由2段25km的光纖組成。泵浦光功率為278mW，探測(cè)光功率為1．82mW。示波器采樣頻率200MHz，信號(hào)平均采集2000次。掃頻范圍為10780～10960MHz，步長為4MHz。由圖2（a）可以看出，在信號(hào)中間處信號(hào)強(qiáng)度略有差異，說明光纖兩端的BFS略有不同。在傳感光纖的尾端，將2段長度為3m間隔為4m的光纖放入高溫爐內(nèi)加熱至60℃，室溫為29℃，其時(shí)域信號(hào)見圖2。由于2段3m受熱光纖的布里淵中心頻移高于其他未受熱光纖，因此在信號(hào)尾端存在2段信號(hào)的偏移，表明受熱部分的信噪比較好。在光纖尾端可以清晰觀察到信號(hào)強(qiáng)度仍有較大落差。

泵浦光和探測(cè)光頻率差設(shè)定為10832MHz時(shí)，120ns／100ns布里淵時(shí)域信號(hào)差分過程如圖3所示。由圖3可知：脈沖寬度為120ns的布里淵信號(hào)上升區(qū)域?qū)?yīng)空間分辨率為12m；脈沖寬度為100ns的布里淵信號(hào)上升區(qū)域?qū)?yīng)空間分辨率為10m；120ns布里淵信號(hào)與100ns布里淵信號(hào)差分所獲得的時(shí)域信號(hào)對(duì)應(yīng)空間分辨率為2m。所獲得的BGS三維圖如圖4所示。由于光纖長度為50km，此處僅給出光纖最后300m左右的BGS三維圖。由于使用差分脈沖技術(shù)，BGS信噪比較單脈沖技術(shù)獲得的信噪比有所降低，但仍然可以有效測(cè)量由圖5（a）可知，光纖BFS曲線的上升沿為2m，表明差分脈沖對(duì)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)2m的空間分辨率，光纖兩端的波形差異主要由擬合誤差所致。由圖6（a）可以看出，未加熱時(shí)光纖的BGS的增益強(qiáng)度信噪比要高于加熱時(shí)光纖的信噪比。高溫爐內(nèi)光纖的BGS存在2個(gè)峰值，第1個(gè)峰值與未加熱時(shí)光纖BGS的峰值相同，這主要由電光調(diào)制器（EOM）在調(diào)制泵浦脈沖光時(shí)殘留的連續(xù)光所致，在實(shí)際測(cè)量中可以將其排除掉；第2個(gè)峰值受熱光纖BGS的BFS為10864MHz，光纖BFS從室溫29℃時(shí)的10832MHz上升到高溫度內(nèi)60℃時(shí)的10864MHz，對(duì)應(yīng)溫度系數(shù)約為1．03MHz•℃－1，這與文獻(xiàn)［1］中的結(jié)果基本一致。

110ns／100nsBFS如圖5（b）所示，光纖BFS上升沿為1m，對(duì)應(yīng)1m空間分辨率，這與理論符合較好。未受熱部分光纖的BFS為10830MHz左右，與120ns／100ns時(shí)的BFS基本一致；然而受熱部分光纖的BFS為10850MHz，較120ns／100ns時(shí)光纖的BFS減小了10MHz左右，這主要是由于擬合時(shí)產(chǎn)生的誤差導(dǎo)致的。圖6（b）中加熱光纖的BGS仍存在2個(gè)峰值。隨著脈沖對(duì)差值的減小，差分信號(hào)的信噪比逐漸降低，導(dǎo)致泵浦脈沖光中直流連續(xù)光分量所產(chǎn)生的BGS在整體中所占比重逐漸增加，這也是圖5（b）中BFS擬合出現(xiàn)較大偏差的主要原因。

由圖5，6可得，泵浦脈沖光為120ns／100ns時(shí)，傳感光纖BGS的線寬為38MHz，BFS為10832MHz，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)誤差為0．283MHz，對(duì)應(yīng)的溫度和應(yīng)變傳感精度分別為0．283℃和5．903×10－6；泵浦脈沖光為110ns／100ns時(shí)，傳感光纖BGS的線寬（半高前寬）為44MHz，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)誤差為0．319MHz，對(duì)應(yīng)的溫度和應(yīng)變傳感精度分別為0．319℃和6．552×10－6。隨著差分脈沖對(duì)間隔的減小，DPP－BOTDA技術(shù)的空間分辨率逐漸提高；所獲得的BGS信噪比逐漸降低，探測(cè)精度逐漸下降。這說明空間分辨率越高，信噪比越低，測(cè)量精度越低。DDP－BOTDA技術(shù)可以提供更窄的BGS，具有更高的空間分辨能力，但由于受限于信號(hào)的信噪比，其測(cè)量精度較低。實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明，DPP－BOT－DA技術(shù)在空間分辨率和測(cè)量精度之間存在交換關(guān)系。也就是說，空間分辨率越高，測(cè)量精度越低；反之，測(cè)量精度越高，分辨率越低。目前可以實(shí)現(xiàn)的最高空間分辨率為2cm（傳感長度為2km），最長傳感距離為150km（空間分辨率為2m），可以看出，空間分辨率和傳感距離很難同時(shí)兼顧。本文的試驗(yàn)結(jié)果（即50km傳感距離為50km，空間分辨率為1m，溫度和應(yīng)變傳感精度分別為0．319℃和6．552×10－6），可以彌補(bǔ)中長距離傳感范圍研究的空白，為后續(xù)研究提供參考。另外，文獻(xiàn)［10］中使用相干布里淵光時(shí)域分析技術(shù)僅實(shí)現(xiàn)的空間分辨率為3m，傳感距離為40km，溫度精度為1．8℃。

4結(jié)語

（1）試驗(yàn)使用差分脈沖布里淵光時(shí)域分析技術(shù)在單模光纖中進(jìn)行了分布式光纖傳感試驗(yàn)研究，得出了不同脈沖對(duì)組合對(duì)光纖的BFS，BGS和信號(hào)信噪比的影響以及空間分辨率和測(cè)量精度的關(guān)系。（2）所研究的光纖傳感系統(tǒng)的傳感距離為50km，空間分辨率為1m，溫度和應(yīng)變傳感精度分別為0．319℃和6．552×10－6，彌補(bǔ)了中長距離傳感范圍研究的空白，為后續(xù)研究提供了參考。（3）在未來的研究中，需使用高消光比電光調(diào)制器提高信噪比，降低擬合誤差，提高測(cè)量精度，延長傳感距離。

作者：張娟 李金平 董永康 單位：中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院