基于连续光抽运的布里渊光时域分析仪新技术

　　1　引　言

　　光纤中入射的抽运光与其后向布里渊散射光间的布里渊频移随光纤的应变和温度变化[1],应用这一特性研发的传感器,能实现几十公里长跨度的全分布式应变和温度测量[2]。在大型工程结构安全状况的无损检测、诊断和预报[3]中,这类基于布里渊散射的分布式光纤传感技术具有广阔的应用前景。

　　在常规BOTDA(Brillouin optical time domain analyzer)传感技术中,入射到传感光纤的抽运光为脉冲光。这种基于脉冲抽运光的常规BOTDA空间分辨力与脉冲宽度成比例,脉冲越窄,其空间分辨力越高[1,3]。但是,若抽运光脉冲宽度小于光纤中声子寿命,则布里渊频谱展宽,很难精确测量布里渊频移,应变和温度的测量误差大。因此常规BOTDA的最高空间分辨力一般在1m左右[3]。尽管采用信号处理等改进措施,其空间分辨力仍限制在几十厘米[4]。对一些如飞机机翼等有较高空间分辨力要求的小结构监测中,这种常规BOTDA技术应用受到限制。为此,Hotate K等人提出和开发了一种可使空间分辨力提高到厘米级的BOTDA新技术[5～7]。

　　在该技术中,频率调制的连续抽运光和探测光在传感光纤中相向传播并产生受激布里渊散射(SBS),由控制两连续光间的相关确定沿光纤发生SBS的位置,从而实现分布式测量。这种基于连续的抽运—探测光相关提高BOTDA空间分辨力的新技术在实验研究中得到了验证[6～8],在静态测量中得到了1cm的高空间分辨力[7～8],并实现了5cm的高空间分辨力、8.8Hz采样率和±38με精度的动态应变测量[9]。现介绍这种新技术的基本原理,测量系统设计,并结合常规基于脉冲光的BOTDA技术讨论了其空间分辨力和传感范围等。

　　2　连续光相关的BOTDA原理和测量系统

　　频率不同的抽运光和探测光在光纤中相向传播,两者相干并通过电致伸缩激发声波。而声波引起的折射率光栅又反过来耦合两束光。当两者的频率差vm等于布里渊频移vB时,高频带的泵浦光能量向低频带的探测光转移,即探测光从泵浦光得到增益。探测光的布里渊增益频谱(BGS)通常为Lorentzian函数[1]:

　　其中布里渊增益系数gB、布里渊频移vB和布里渊增益线宽ΔvB是BGS的三个特性参数。它们与光纤的弹光系数、折射率、体积密度、声波速度及入射光的波长有关。光纤的温度和应变的变化就会引起这三个主要参数的变化。所以基于布里渊散射能实现应变和温度的分布传感器设计。研究表明布里渊频移随温度和应变线性变化[1]:

其中Δε和ΔT分别是应变和温度变化量,Cε和CT分别是布里渊频移的应变和温度系数。

　　抽运光和探测光相向在光纤传输,假设两者的偏振方向相同且忽略光纤损耗,采用微扰理论解SBS耦合波方程,可得到探测光经过测试光纤传输的功率增益谱[5]: