三吉卯2012年第6
期
中文核心期刊
Advances in the research on Brillouin-based
optical fiber sensors with centimeter resolution
LI Huan 1,LI Yong-qian 1,2,WANG Hu 1,HE Qing-er 1(1.Dept.of Electronics and Communication Engineering,
North China Electric Power University,Baoding Hebei 071003,China ；
2.Suzhou Institute of North China Electric Power University,Suzhou Jiangsu 215123,China
Abstract:Novel approaches of the prior activation of the acoustic wave are introduced,and the technologies based on Brillouin echoes and Brillouin dynamic grating are analyzed.The sensing principles and schemes of these technologies are introduced in detail,their key techniques are pointed out.These technologies can break through the limit of spatial resolution of 1m and have the advantages of high measurement precision and high spatial resolution.Finally the trends of development of Brillouin distribution optical fiber sensing technology are discussed.
Key words :Brillouin scattering;distributed fiber sensors;Brillouin echo;Brillouin dynamic grating
李欢1，李永倩1,2，王虎1，何青尔1
（1.华北电力大学电子与通信工程系，河北保定071003；
2.华北电力大学苏州研究院，江苏苏州215123）
摘要：介绍了一种新的布里渊传感方法-预激发声场法，分析了基于布里渊回波和动态光栅的两种预
激发声场的传感技术，详细介绍了两种技术的传感原理及其传感系统，指出了此方法的关键技术。该技
术可以突破空间分辨率只有1m 的限制，具有高测量精度、高空间分辨率的优点。最后探讨了布里渊分布式光纤传感技术的发展趋势。
汪毅夫关键词：布里渊散射；分布式光纤传感器；布里渊回波；布里渊动态光栅中图分类号：TN929.11
文献标识码：A
文章编号：1002-5561（2012）06-0010-04
0引言
分布式光纤传感器不仅具有普通光纤传感器抗电磁干扰、灵敏度高、耐高压、耐腐蚀的特点，而且具有传感距离长、动态范围宽等优点。分布式光纤传感技术应用光纤几何上的一维特性，把被测量作为光纤长度的函数对沿整个光纤分布的外部物理量进行连续地测量。利用布里渊散射强度或频移与温度、应变之间的线性关系[1]，可以同时得到被测量在传感光纤区域内温度和（或）应变的信息。因此，引起了众多科研工作者的关注，并得到了飞速发展。
在布里渊光时域分析（Brillouin Optical Time Do -
main Analysis ，BOTDA ）系统中，泵浦光和探测光分别
从传感光纤两端入射，当二者的频差等于布里渊频移时发生受激布里渊散射（SBS ）时，频率高的光信号对频率低的光信号产生放大作用，通过检测布里渊散射信号的频移和（或）强度就可以确定温度和（或）应变的信息。由于声子寿命的限制，传统的BOTDA 系统空间分辨率达到的最高指标为1m 。为了获得较高的空间分辨率，通常采用减小光脉冲宽度的方法。若脉冲宽度过窄将导致声子的激发不充分，最终导致布里渊增益的减弱和频谱形态的劣化，从而导致温度/应变测量精度的下降。当脉冲宽度约等于声子寿命2倍（约为 12ns ）时，泵浦脉冲和布里渊增益谱带宽几乎一致，对应的空间分辨率约为1m 。在某些特殊的应用场合要
湖州织里镇
收稿日期：2012-01-06。
基金项目：苏州市科技发展计划项目（SYG201013）资助。
作者简介：李欢（1985-），女，硕士生，主要从事光通信与光传感方面的研究。
⑩
求厘米级的空间分辨率，如高压复合绝缘子、飞行器和船体健康诊断等。因此，在分布式光纤温度和应变测量领域，迫切需要研究高测量精度和高空间分辨率的传感方法。本文通过介绍一种使用纯时域
技术获得厘米级空间分辨率且传感距离可达几千米的布里渊传感技术，阐明了布里渊分布式传感技术的研究进展和发展动态。
1基于布里渊回波的传感技术
1.1布里渊回波原理
布里渊回波技术原理是在测量脉冲光发出前增
加一段预泵浦脉冲光预先激发声场。泵浦脉冲光和探测光分别从光纤两端入射，泵浦光和探测光发生干涉作用，引起介质电致伸缩效应产生一个预先激发的声波场。在光纤中，泵浦场、斯托克斯场和声波场这三种场参与布里渊相互作用。与正常稳态增益条件下布里渊作用相比，泵浦场和斯托克斯场的幅度和相位经历快速的变化，由于惯性的影响，声波场需要几倍声子寿命的时间去适应这种变化。
例如，在某一时刻泵浦光突然发生变化且变化时间比声子寿命小得多时，尽管SBS作用已消失，但是声波场只是缓慢衰减，在声子寿命时间内幅度几乎不会发生变化。声波场具有在这一小段时间内可以改变泵浦光幅度或相位的性质，泵浦光将被声波场完全反射。泵浦光的反射导致与探测光发生破坏性的干涉作用，在探测光波形上可以观察到其能量有明显的微小损失，通过测量探测光能量的变化得到布里渊增益谱，确定沿传感光纤物理量的分布信息。因为这种分布信息在形式上与核磁场自旋和核磁共振作用的描述相似，为了强调这种相似，把预激发的声波场产生的反射波称为布里渊回波[2]。
1.2布里渊回波分布式传感系统
基于布里渊回波的分布式传感（Brillouin Echo Distribution Sensing，BEDS）系统的原理类似于传统BOTDA系统，其系统框图如图1所示。由激光器LD 发出的连续光经耦合器输出，一部分光进入电光调制器EOM1，经微波信号驱动EOM1调制成抑制载波的双边带信号作为探测光。探测光经EDFA1放大进入传感光纤。脉冲信号发生器驱动EOM2将下边支路的连续光调制成脉冲信号作为泵浦光，经EDFA2放大进入传感光纤。在传感光纤中泵浦光和探测光发生SBS 作用，散射信号经光纤光栅FBG和环形器C2组成的滤波器，进入光电检测器（PD），然后计算机对其进行检测和数据处理。为保证环形器输出信号只含有散射信号，需要FBG进行滤波，由EDFA产生的自发辐射噪声和由EOM1产生的上边带信号都被滤除，因此最大限度地减少了光噪声。为了保证EOM输入光偏振方向与其透光轴重合，使得入射光全部进入EOM，在其输入端加入偏振控制器P1、P2。
1.3布里渊回波传感系统类型
文献[2]中提到基于布里渊回波的传感系统的泵浦光可以有三种不同的情况，主要有亮脉冲、暗脉冲和π-相位脉冲，不同脉冲编码调制形式的泵浦脉冲如图2所示。无量纲的α为实数，β、γ为复数。脉冲第一部分在t=0时刻进入光纤，其宽度为t0；第二部分的宽度为T；最后一部分的脉宽无限长。
基于亮脉冲的布里渊回波传感系统中，EOM2具有确定消光比，由EOM2产生一个能量持续的泵浦光
去激发声波场。亮脉冲可表示为α=γ=1/2，β=1，脉冲的α部分进入传感光纤激发声波场。布里渊峰值功率和泵浦脉冲宽度呈线性关系[3]，脉宽越大，布里渊峰值功率越强，如果泵浦脉冲宽度固定，布里渊峰值功率也相应固定，由此可见这种传感技术的效率很低。如果泵浦光很窄，也可以实现厘米级的空间分辨率。
暗脉冲可表示为α=γ=1，β=0，泵浦光和探测光在光纤中发生SBS作用，光纤中的声波场一直存在。如图1
基于布里渊回波的分布式传感系统框图
图2
泵浦脉冲编码形式
李欢，李永倩，王虎，等：厘米级分辨率布里渊光纤传感器研究进展
輥輯訛
2012年第6
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果某一时刻突然将泵浦光关断，泵浦光不再被反射，探测光的放大作用也停止。由于泵浦光关断时间比声子寿命小得多，声波场几乎不会有变化，当恢复泵浦光后，SBS 作用也立即恢复。因为泵浦光被关断后光变得很暗，且关断时间很短，因此称为暗脉冲。π-相位脉冲的响应与暗脉冲的类似，可表示为α=γ=1/2，β=-1。
π-相位脉冲是在极短时间内泵浦光相位发生180°的
变化，目的是泵浦光与探测光发生破坏性的干涉，此过程等价于损耗性布里渊散射过程。由于一个是关断脉冲，一个是脉冲持续但发生相移，对于相同功率的泵浦光来说，π-相位脉冲的布里渊放大倍数是暗脉冲的2倍[4]。
功率放大器
图1中亮脉冲、暗脉冲由强度型电光调制器
EOM2来产生，而产生π-相位脉冲则需要相移型电光
调制器。脉冲持续时间约为几十纳秒，这部分脉冲进入传感光纤充分激发声波场，则系统的空间分辨率由泵浦脉冲的持续时间T 决定，如果T 小于1ns ，就可以达到厘米级的空间分辨率。
2基于布里渊动态光栅的传感技术
2.1布里渊动态光栅原理
最近的研究中提出了布里渊动态光栅（Brillouin
Dynamic Grating ，BDG ）的概念[5-7]，其产生过程如图3所示。x 方向极化的频率分别为v 1、v 2的泵浦光1、泵
浦光2，从两端入射到保偏光纤，泵浦光1、泵浦光2的极化方向和保偏光纤的慢轴（x 轴）平行。在保偏光纤中由于泵浦光1、泵浦光2干涉引起电致伸缩效应，产生一个y 极化方向的声波场，且能反射任何偏振态的光，此声波场称为布里渊动态光栅。在各向同性的条件下，如在标准低双折射率光纤中，只有满足布喇格条件的两个相向传播的光发生干涉，频率高的光信号对频率低的光信号有放大作用，发生能量转移。与
此不同，在高双折射介质条件下，由于正交极化，因此导致在相同空间周期下不同频率的入射光满足不同的布喇格条件。这个声波场引起介质折射率周期性的调制，充当一个移动的光栅反射镜。由于泵浦引起的折射率光栅通过布喇格衍射散射泵浦光，多普勒频移与以声速移动的布喇格光栅有关，散射光产生了频移。即当y 极化方向的探测光从光纤一端进入保偏光纤被BDG 反射的沿y 方向极化的探测光产生频移
Δf ，Δf 由保偏光纤的双折射率决定，可以描述为[6]：
Δf =v s -v 1=Δn ·v 1/n
（1）式（1）中，v s 为探测光的频率，n 是光纤的折射率，v 1是泵浦光1的频率，Δn 为双折射率。
2.2布里渊动态光栅分布式光纤传感系统
基于布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统框图如图4所示。激光器LD 发出的光经耦合器分为两路，一路光由EOM1调制成泵浦光1，另一路由EOM2调制成泵浦光2，两束光分别经过EDFA 放大、偏振分光镜PBS1、PBS2后进入传感光纤，传感光纤为一段保偏光纤。在保偏光纤中两个x 方向极化的泵浦光1、泵浦光2发生SBS 作用产生y 极化方向的BDG 。Probe
LD 作为探测光的光源，y 极化方向的探测光经过ED -FA3放大，进入传感光纤被BDG 反射，反射回来的探测光经过环形器C1、EDFA4放大以及FBG 滤除自发辐射噪声后进入光电检测器PD1检测，最后进行数据
采集与处理。为了保证进入传感光纤的光始终是沿一个确定的极化方向传播，图4所示系统中加入偏振控制器（pol ）。
在传统的BOTDA 系统中，通过扫频的方式获得布里渊增益谱，而在基于布里渊动态光栅的BOTDA
图3布里渊动态光栅原理示意图图4
布里渊动态光栅分布式光纤传感系统框图
李欢，李永倩，王虎，等：厘米级分辨率布里渊光纤传感器研究进展
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系统中，BDG 可以看成是一个纯反射或反向散射的过程，因此，反向散射光仅仅来自探测脉冲，系统的空间分辨率由探测脉冲的持续时间决定。由于Probe 只是探测BDG 的幅度，Probe 的持续时间可缩短至任何需要的宽度。因此，保持高精度的同时达到很高空间分辨率是可能的。当频谱较宽的探测光被BDG 反射时，探测光的幅度由BDG 和探测光之间的频谱叠加决定，如图5所示。布里渊增益的带宽与泵浦光1的持续时间有关，通常泵浦光1的脉宽很宽（约为几十纳秒），目的是保持布里渊增益带宽比较窄。如果保持一个窄带的布里渊增益谱就能获得高的空间分辨率，已经报道的基于布里渊动态光栅的分布式传感器获得了1cm 的空间分辨率[7]。
文献
强的医保活水器[5-8]
中报道了一种新型的基于双折射的布里
渊动态光栅分布式光纤传感器，其与传统的布里渊分布型传感器相比具有更高的温度敏感性，能够更好地分辨温度和应变[9]。
3布里渊分布式传感技术发展趋势
1989年，BOTDA 由日本Horiguchi T 等人作为一
种非破坏性光纤检测技术第一次被提出来，实现了应变的分布式测量[10]。经过不断的发展，布里渊传感技术的测量精度和传感距离得到了大幅提高。社会经济的发展以及工程应用的迫切需求，对分布式传感技术的温度/应变测量精度也提出了更高的要求。由于布里渊传感技术测量精度和空间分辨率存在矛盾，因此以后的研究趋势主要集中在：①增加传感距离。目前报道的BOTDA 技术能够大幅度地提高空间分辨率，但传感距离受到限制。因此，在保持高空间分辨率的前提下增加传感距离是目前研究的热点。②解决温度和应变交叉敏感性的问题。由于布里渊频移同时受温度和应变的影响，所以难以区分温度和应变导致的频移变化。探索新型的传感方案更好地区分温度和应变以达到精确测量的目的，是布里渊传感技术的发展趋势。
③实现多物理量的同时测量。除了温度和应变影响以
外，研究布里渊频移或强度随其它参量的变化规律，以便通过多物理量的测量获得更多反映被测结构的内部信息。例如，光纤受到振动或者处在电磁场环境时，通过测量频移发生的变化来得到相应物理量的分布信息。④研制高空间分辨率、高测量精度的布里渊传感产品，并用于实际工程领域，以发挥更大的作用。
4结束语
本文介绍了提高BOTDA 系统空间分辨率的两种方案，详细介绍了基于BEDS 和BDG 技术的传感原理。这两种技术在温度、应变上所达到的测量精度、空间分辨率均优于传统的BOTDA 传感技术。虽然目前这两种技术只是处于实验室研究阶段，但是随着布里渊传感技术的发展将会在实际应用中有更深入的研究，必将得到更广泛的应用。参考文献：
[1]NIKLES M,THEVENAZL,ROBERT P A.Brillouin gain spectrum characterization in single-mode optical fibers [J].J.Lightwave Technol.,1997,15(10):1842-1851.
[2]FOALENG S M,TUR M,BEUGNOT J C,et al.High spatial and spec-tral resolution long-range sensing using Brillouin echoes [J].J.Lightwave Technol.,2010,20(28):2993-3003.
[3]BAO X,BROWN A,DEMERCHANT M,et al.Characterization of the Brillouin-loss spectrum of single-mode fibers by use of very short (<10ns)pulses[J].Opt.Lett.1999,24(8):510-512.
[4]THEVENAZ L,BEUGNOT J C.General analytical model for distribut-ed Brillouin sensors with sub-meter spatial resolution[C].United Kingdom:Edinburgh,OFS,2009,75036A-75034.
[5]SONG K Y,ZOU W,HE Z,et al.All-optical dynamic grating genera-tion based on Brillouin scattering in polarization-maintaining fiber [J].Opt.Lett.,2008,33(9):926-928.
[6]DONG Y,BAO X,CHEN L.Distributed temperature sensing based on birefringence effect on transient Brillouin grating in a polarization-main-taining photonic crystal fiber[J].Opt.Lett.,2009,34(17):2590-2592.[7]SONG K Y,ZOU W,HE Z,et al.Optical time-domain measurement of Brillouin dynamic grating spectrum in a polarization-maintaining fiber[J].Opt.Lett.,2009,34(9):1381-1383.
[8]SONG K Y,CHIN S,PRIMEROV N,et al.Time-domain distributed fiber sensor with 1cm spatial resolution based on Brillouin dynamic grating [J].J.Lightwave Technol.,2010,14(28):2063-2066.
[9]ZOU W,HE Z,HOTATE K.Demonstration of Brillouin distributed dis-crimination of strain and tempe
rature using a polarization-maintaining opti-cal fiber.IEEE Photon.Technol.Lett.,2010,22(8):526-528.
[10]HORIGUCHI T,KURASHIMA T,TATEDA M.Tensile strain depen-dence of Brillouin frequency shift in silica optical fibers [J].IEEE Photon.Technol.,1989,1(5):
107-108.
我眼中的网络世界图5BDG-BOTDA 系统BDG 能量变化的过程
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