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)實現(xiàn)動態(tài)應(yīng)變探測的解決方案之一，具有成本低、系統(tǒng)簡單等優(yōu)點。然而該技術(shù)的應(yīng)變探測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范圍低于1000με，限制了該方法在大動態(tài)應(yīng)變測量方面的應(yīng)用。 近期，廣西師范大學(xué)胡君輝教授團隊提出一種基于頻率均衡器的大動態(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信號，使得斜坡輔助技術(shù)的應(yīng)變測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現(xiàn)了最大為3108με的大動態(tài)應(yīng)變測量。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)，通過解調(diào)布里淵增益即可獲得布里淵頻移的變化。該方法無需對布里淵散射譜進行頻率掃描，極大地縮短了系統(tǒng)的單次采樣周期，非常適合于動態(tài)應(yīng)變測量。然而該方法能夠測量的應(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，一旦測量的應(yīng)變所對應(yīng)的相對頻移量超過這個范圍，布里淵頻移與布里淵增益就不再是線性對應(yīng)關(guān)系，無法通過布里淵增益實現(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量方法

傳統(tǒng)的斜坡輔助測量方法如圖1(a)所示，將工作頻率固定在布里淵散射譜斜坡上的某處，通過探測單一頻率分量的時域信號實現(xiàn)應(yīng)變的解調(diào)。在斜坡輔助BOTDA系統(tǒng)中，工作頻率可以通過調(diào)整探測光和泵浦光的頻率差來選取。而在斜坡輔助BOTDR系統(tǒng)中，則是通過一個額外添加的帶通濾波器來過濾出工作頻率處的信號?；陬l率均衡器的斜坡輔助測量方法如圖1(b)所示，將帶通濾波器換成頻率均衡器，通過頻率均衡器制造一個人工的斜坡。此時探測信號不再是單一頻率的時域信號，而是頻率均衡器內(nèi)各個頻率分量信號的疊加，并且由于頻率均衡器對頻率增益的線性調(diào)制，其信號強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 兩種斜坡輔助測量方法: (a)基于布里淵散射譜; (b) 基于頻率均衡器

3.2大動態(tài)應(yīng)變測量

選擇合適的工作頻率，搭建斜坡輔助BOTDR系統(tǒng)進行大動態(tài)應(yīng)變測量，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器之后再增加一個頻率均衡器。傳感光纖為約1.94km的單模光纖，振動區(qū)域位于距離光纖末端20m處，長度為9.65m。

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圖2 系統(tǒng)實驗原理圖

在兩個不同的振動頻率下測量了最大應(yīng)變?yōu)?18-3108με的動態(tài)應(yīng)變，其信號如圖3所示，測得的應(yīng)變-信號強度關(guān)系分別為0.0044 mV/με@10.3 Hz和0.0041mV/με@13.1Hz。

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圖3不同振動頻率下的振動信號: (a)10.3Hz; (b)13.1Hz

測量頻率的大小與應(yīng)變噪聲通過計算動態(tài)應(yīng)變信號的功率譜密度(PSD)得到，其結(jié)果如圖4所示。當(dāng)標(biāo)定頻率為10.3Hz時，應(yīng)變噪聲為17.8dB，最大頻率誤差為0.5Hz。當(dāng)標(biāo)定頻率為13.1Hz時，應(yīng)變噪聲為17.6dB，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

本團隊提出了一種基于頻率均衡器的大動態(tài)應(yīng)變斜坡輔助BOTDR系統(tǒng)，其測量的應(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)變測量范圍。實驗上在普通單模光纖上測得了最大為3108με的動態(tài)應(yīng)變，并且應(yīng)變和信號強度之間有良好的線性度。該方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，并且成本相對較低，為基于斜坡輔助技術(shù)的大動態(tài)應(yīng)變測量提供了一種新的思路。