毫米級高分辨率的混沌激光分布式光纖測溫技術*

張倩 王亞輝 張明江? 張建忠 喬麗君 王濤 趙樂

1)(太原理工大學物理與光電工程學院,光電工程研究所,太原 030024)

2)(新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室,太原 030024)

1 引 言

目前,基于受激布里淵散射的分布式光纖溫度和應變傳感技術已被廣泛應用于各種大型土木建筑結構的健康監測[1-3],然而在應用過程中仍存在一些技術瓶頸,例如傳感系統空間分辨率難以突破毫米量級,導致無法精準定位和監測.在眾多基于受激布里淵散射的分布式光纖傳感技術中,布里淵光時域分析技術(Brillouin optical time domain analysis,BOTDA)[4-6]具有測量距離長的優勢,例如基于光脈沖編碼的BOTDA技術[7],其傳感距離可高達120 km,然而空間分辨率因受限于聲子壽命難以突破1 m.為了提高系統的空間分辨率,研究者們先后提出差分脈沖對技術[8]、暗脈沖技術[9]等,實現了亞米量級空間分辨率的測量,但增加了系統的復雜度且測量耗時長.

布里淵光相干域分析技術(Brillouin optical correlation domain analysis,BOCDA)[10,11]具有測量空間分辨率高的優勢.例如,韓國Song等[12]在正弦調制光源的基礎上引入時域數據處理技術進行多傳感點的并行測量,在1530 m傳感光纖上實現了空間分辨率小于3 cm的分布式應變測量；以色列Thevenaz等[13]通過使用高速的偽隨機碼對泵浦光和探測光進行相位調制,在40 m傳感光纖上實現了1 cm空間分辨率的分布式溫度測量等.然而此類通過對光源進行頻率或相位調制的技術受被調制激光器特性的限制,導致其空間分辨率難以突破毫米量級.理論上,BOCDA系統的空間分辨率取決于光源的相干長度,即光源的線寬越寬,系統的空間分辨率越高.所以,研究者們提出了基于低相干態光源的BOCDA傳感技術,例如以色列AviZadok課題組[14]提出將自發輻射放大(Amplified Spontaneous Emission,ASE)噪聲作為BOCDA系統的光源,使得傳感系統免受電光調制器、微波信號源、信號發生器帶寬的影響,實現了空間分辨率為4 mm的分布式溫度測量,但是由于ASE光源的光譜密度和輸出功率較低,導致系統信噪比較差,傳感距離不超過2 m.我們課題組也提出將低相干態、類噪聲的混沌激光應用于傳感系統[15],并在BOCDA系統中實現了傳感距離為906 m、空間分辨率為4 cm的分布式溫度測量[16],后通過時延特征抑制[17]并引入時間門控技術,最終在10.2 km的傳感光纖上實現了9 cm空間分辨的分布式溫度測量[18],為解決傳感距離與空間分辨的矛盾提供了方案.但由于受限于光源的線寬較窄,其空間分辨率仍沒能突破毫米量級.

為了實現毫米級高分辨率的測量,本文提出了一種基于寬線寬混沌激光的布里淵光相干域分析的分布式溫度傳感技術,實驗通過改變光反饋混沌的外部參數,在最佳偏振匹配狀態且反饋強度為0.12時獲得了—3 dB線寬為7.5 GHz寬線寬混沌光源,其理論空間分辨率為3 mm,并在300 m的傳感光纖上實現了7.05 mm空間分辨率的分布式溫度測量,即混沌布里淵光相干域系統突破了毫米量級高分辨率的測量,但與系統空間分辨率的理論值之間存在差異.進一步,我們通過引入時間門控技術使系統測量增益譜的信號背景噪聲比(signalto-background ratio,SBR)[19]由約2.28 dB提升為4.55 dB,最終實現了3.12 mm空間分辨率的分布式溫度測量,與系統的理論空間分辨率一致.

2 實驗原理

本文采用光反饋法產生寬線寬的混沌激光,其動態特性滿足Lang-Kobayashi速率方程[20,21],理論表達為：

其中,(2a)式中最后一項kfE(t-τf)exp(-iωt)為反饋光；E和N分別是半導體激光腔中的復合電場振幅和載流子密度；α,G分別是線寬增強因子、微分增益系數；τp是光子壽命,ω是半導體激光器的輸出角頻率；(2b)式中q,V,τn分別是電荷量、有源區體積和載流子壽命,I是半導體激光器的泵浦電流密度.實驗中可通過改變反饋光的偏振匹配態及反饋光強度得到不同混沌狀態,在偏振匹配態不變時,改變反饋光強度得到一系列不同狀態的混沌激光,同時發現其自相關曲線中時延特征信號的大小會隨反饋強度的改變而改變.由于時延特征信號在非峰值引起的受激布里淵放大會引起額外的噪聲,在很大程度上限制了混沌BOCDA系統的性能,所以取時延特征信號最小時的反饋強度為最佳反饋強度[17].如圖1即為最佳反饋強度0.12時兩種典型偏振匹配態下的混沌激光特性,可以看出從偏振匹配態a到b,光譜 —3 dB線寬由約3.12 GHz變為7.59 GHz,頻譜變得更加平坦且—3 dB帶寬由3.88 GHz變為8.53 GHz,自相關曲線內中心相關峰的半高全寬(Full Width at Half Maximum,FWHM)從0.114 ns減小到0.029 ns,即該系統的理論空間分辨率由約1 cm提高到約3 mm,意味著我們通過改變反饋光偏振匹配態和反饋強度,使混沌BOCDA系統的理論空間分辨率實現了從厘米量級到毫米量級的重要突破.

3 實驗裝置

基于寬線寬混沌激光毫米級分辨率分布式光纖測溫技術的實驗裝置如圖2所示,其中紅色虛線框內為寬線寬混沌激光源,是由無內置隔離器的分布式反饋半導體激光器(distributed feedback laser diode,DFB-LD,WTD,E21239)、光環形器(optical circulator,OC1)、光纖偏振控制器(polarization controller,PC1)、可調光衰減器(variable optical attenuator,VOA)和50：50光纖耦合器四個分立光學器件構成的單反饋外腔.其中,DFB-LD的輸出通過OC1進入反饋環,通過調節DFB-LD的偏置電流以及反饋光路中的光纖PC1,VOA,改變反饋光的偏振匹配狀態和反饋強度,使得DFB-LD進入混沌狀態并產生寬線寬混沌激光,隨后寬線寬的混沌激光經光隔離器(isolator,ISO1)進入90：10的光纖耦合器后分成兩路,其中90%的一路為探測光路,經過光纖PC2進入由微波信號源(KEYSIGHT N5173B,scan range 9 kHz—13 GHz)驅動的電光調制器(electro-optical modulator,EOM,EOSPACE,12.5 Gb/s)進行雙邊帶調制以及載波抑制,其中正弦信號的調制頻率約等于布里淵頻移νB.經調制

后的寬線寬混沌激光依次經過可編程光延遲發生器(programmable optical delay generator,PODG,General Photonics ODG-101,MDL-002)、摻餌光纖放大器(erbium doped fiber amplifier,EDFA1,Connet VLSS-980-B)、擾偏器(polarization scrambler,PS,General Photonics PCD-104)及光隔離器(ISO2)注入到待測光纖(fiber under test,FUT)的一端.其中,PODG用于相關峰的定位,EDFA1將探測光功率放大為11 dBm,PS用于消除布里淵增益信號對偏振態的依賴性.10%一路為泵浦光路,先后經過光纖PC3,摻餌光纖放大器(EDFA2,Keopsys CEFA-C-PB-HP)以及OC2注入到FUT的另一端,其中EDFA2將泵浦光功率放大為33 dBm.兩路光在待測光纖中發生受激布里淵放大后,經OC2輸出端進入可調帶通濾波器(band pass filter,BPF,Yenista XTM-50,帶寬4—80 GHz),濾出的斯托克斯光功率由帶有積分球光電二極管功率探頭(Thorlabs S145C,power range 1 μW—3 W,resolution 1 nW)的數字光功率計(optical power meter,OPM,Thorlabs PM100D)進行采集.其中,FUT為單模光纖(SMF,G.655),總長約為300 m(末端20 cm放置在恒溫箱內),實驗可通過調節可編程PODG將待測點定位于光纖不同位置處,從而進行FUT沿線溫度信息的采集.

圖1 兩種典型偏振匹配態下混沌激光的特性 (a1),(b1)光譜；(a2),(b2)頻譜；(a3),(b3)自相關曲線Fig.1.The characteristics of the chaotic light at two typical polarization matching states：(a1),(b1)Optical spectra；(a2),(b2)power spectra；(a3),(b3)autocorrelation curve.

圖2 基于寬線寬混沌激光BOCDA系統的實驗裝置圖Fig.2.The experimental setup of broadband chaotic BOCDA.

4 實驗結果與分析

4.1 基于寬線寬混沌激光的BOCDA技術

實驗選擇DFB-LD在最佳反饋強度0.12且偏振匹配態b時的輸出作為BOCDA系統光源,此時混沌激光的—3 dB線寬約為7.5 GHz,系統的理論空間分辨率約為3 mm.設置探測光的掃頻范圍為10.55—10.75 GHz,掃頻步進為1 MHz,獲得待測光纖末端布里淵增益譜(Brillouin gain spectrum,BGS)隨溫度變化的結果如圖3所示.顯然,與室溫下(23 ℃)測量得到的布里淵增益曲線(藍色)相比,加熱到55 ℃時的布里淵增益曲線(紅色)產生了約32 MHz的頻移,和布里淵頻移(Brillouin frequency shift,BFS)對溫度的靈敏度(1 MHz/℃)相吻合,且此時測量增益譜的信號背景噪聲比約為2.28 dB.

進一步測量得到待測光纖沿線布里淵頻移的分布如圖4所示.其中,圖4(a)為300 m待測光纖沿線布里淵頻移的整體分布圖,可以看到在室溫區(23 ℃)布里淵頻移穩定在約10.653 GHz,光纖末端加熱區(269 m處,55 ℃)見圖中紅色曲線標示,布里淵頻移發生明顯變化；圖4(b)為加熱位置附近的局部放大圖,其中加熱區(20 cm)內平均布里淵頻移約為10.685 GHz,布里淵頻移變化量約為32 MHz,與前述實驗結果一致,而且布里淵頻移的標準差(standard deviation,Std)[18]約為 ±1.8 MHz即測量溫度誤差約為 ± 1.8 ℃,說明系統具有較好的測量準確性.

圖3 不同溫度下待測光纖末端的布里淵增益譜Fig.3.The BGS at different temperature end of FUT.

圖4 待測光纖沿線布里淵頻移分布圖 (a)整條光纖沿線的布里淵頻移分布；(b)加熱位置附近的局部放大圖Fig.4.The map of BFS distribution along the FUT：(a)Measured along the entire FUT；(b)the local enlargement near heated zone.

根據上述實驗結果解調出待測光纖沿線布里淵頻移的分布曲線如圖5所示.由于BOCDA系統的實驗空間分辨率可以用上升沿和下降沿10%—90%所對應的光纖長度的平均值來表示[8],如圖中上升沿和下降沿對應的光纖長度分別為6.62 mm和7.48 mm,取其平均值為7.05 mm.所以基于寬線寬混沌激光BOCDA系統的空間分辨率約為7.05 mm,突破了毫米量級分辨率的分布式溫度測量.

圖5 待測光纖沿線布里淵頻移分布曲線Fig.5.Measured distribution of the Brillouin frequency shift along the FUT.

4.2 基于時間門控的寬線寬混沌BOCDA技術

上述基于寬線寬混沌激光的BOCDA系統,其空間分辨率的理論值為3 mm,但實驗測量值僅有7.05 mm與理論值相比存在較大的誤差.從誤差來源分析,考慮到本文中所使用的光源為寬線寬混沌激光,與窄線寬的混沌激光相比其在光纖中的受激布里淵散射閾值變大[22],這里受激布里淵散射的閾值可表示為[23]

式中,Pth為布里淵散射閾值；Aeff為光纖有效面積；修正因子b介于1和2之間,取決于泵浦光于斯托克斯光的相對偏振方向；Δνsource為光源線寬；Leff為光纖有效作用長度；gB為布里淵增益系數.此時如果入射泵浦光功率較低則會導致測量布里淵增益信號減弱；同時隨著光源線寬的增加,泵浦光和探測光在光纖中作用產生的相關峰變窄；而且混沌信號本身含有時延特征,其在非峰值引起的受激布里淵散射放大會引起額外的噪聲且在沿光纖傳播過程中不斷積累,即光纖越長噪聲積累越多.這些均導致布里淵增益信息在傳輸過程中極易被噪聲淹沒,從而影響系統的測量性能.因此,為了提高系統的測量精度,實現理論空間分辨率值的測量,一方面通過引入時間門控技術使泵浦光功率提高的同時實現時延特征的有效抑制,另一方面通過縮短光纖,將光纖從300 m變為160 m,以減少噪聲沿光纖的積累,進而提高系統的測量精度.

圖6所示為時間門控技術[17]的實驗裝置圖,泵浦光經過EDFA3和PC3進入另一個由脈沖信號驅動的EOM進行強度調制,后經EDFA2將功率放大為33 dBm,最終經OC2入射到FUT的一端.

圖6 時間門控技術裝置圖Fig.6.The setup of time-gated.

實驗設置調制脈沖的持續時間Δτ= 100 ns,周期為T= 1.5 μs,幅值電壓為2.8 V,此時被調制EOM的消光比達到最大約為20 dB[18].脈沖調制前后泵浦光的時序變化如圖7所示,其中藍色曲線為脈沖調制前泵浦光的時序,紅色曲線為脈沖調制后的泵浦光時序,可以看到脈沖調制后泵浦光的峰值功率提高了約9.5 dB,理論上有效提高了測量增益譜的信號背景噪聲比.

圖7 脈沖調制前后泵浦光時序圖Fig.7.The time series of the chaotic pump waves (red)and pulse amplitude-modulated (blue).

圖8所示為引入時間門控技術前后待測光纖中發生受激布里淵散射的示意圖.圖8(a)為前述系統待測光纖中發生受激布里淵散射示意圖,可以看到兩路光在待測光纖中間位置產生穩定的相關峰(即受激布里淵散射的聲波場),但由于混沌信號在外腔時延處發生弱幅自相關導致在主峰附近存在殘余次峰[17],并在受激布里淵散射放大時會引起額外的噪聲并沿著光纖不斷積累,最終導致增益信號被噪聲淹沒而影響測量精度.圖8(b)為引入脈沖調制后兩路光在待測光纖中發生受激布里淵散射示意圖,由于脈沖調制使兩路光的相互作用被限制于脈沖持續時間內,非中心峰放大和非零基底噪聲被有效抑制.

此時待測光纖中布里淵增益譜隨溫度變化的測量結果如圖9所示.因為在泵浦路中引入時間門控技術后,測量的布里淵增益譜是泵浦光光譜和與待測光纖中布里淵譜的卷積,經脈沖調制的泵浦光光譜在一定程度上被展寬,導致布里淵增益譜被展寬,最終布里淵頻移量出現了1 MHz的測量偏差[18],如圖9(a)所示,此時的布里淵頻移量約為33 MHz.但該偏差對溫度的測量結果沒有影響,圖9(b)所示為加入時間門控技術前后待測光纖中混沌布里淵頻移隨溫度的變化關系,可以看出加入時間門控技術后,系統的溫度系數由原來的1.03 MHz/℃變為1.09 MHz/℃,所以33 MHz的頻移量與32 ℃的實際溫差相匹配.同時相比于前述系統此時測量增益譜的信號背景噪聲比由約2.28 dB提升為4.55 dB.

進一步得到此時系統中待測光纖沿線布里淵頻移的分布如圖10所示.圖10(a)為布里淵頻移沿130 m待測光纖的整體分布情況,可以看到,在室溫區(23 ℃)布里淵頻移穩定在約10.653 GHz,在加熱區(125 m處,55 ℃)布里淵頻移發生明顯變化.圖10(b)為加熱位置附近的局部放大圖,在加熱區(約3 m)內布里淵頻移約為10.686 GHz,且此時布里淵頻移的標準差約為 ± 1.7 MHz.

同樣根據上述實驗結果解調出待測光纖沿線布里淵頻移的分布曲線如圖11所示.圖中上升沿和下降沿對應的光纖長度分別為3.06 mm和3.15 mm,取其平均值得到此時系統的空間分辨率為3.12 mm.如前所述,本文所提出的基于寬線寬混沌激光BOCDA系統的理論空間分辨率約為3 mm,可見在系統中引入時間門控技術后有效提高了系統的測量精度,使系統的實驗空間分辨率達到了其理論值.

圖8 引入時間門控技術前(a)后(b)兩路光在待測光纖中發生受激布里淵散射示意圖Fig.8.The schematic diagram of SBS in the previous system (a)and the time-gated system (b).

圖9 混沌布里淵增益譜和溫度的關系 (a)待測光纖中隨溫度變化的布里淵增益譜；(b)加入時間門控技術前后待測光纖中隨溫度變化的布里淵頻移量Fig.9.The relationship of the Chaotic BGS with temperature：(a)Temperature-dependence of the BGS in the FUT；(b)that of the BFS in the chaotic BOCDA systems with (blue)and without (red)the time-gated scheme.

圖10 待測光纖沿線布里淵頻移分布圖 (a)整條光纖沿線的布里淵頻移分布；(b)加熱位置附近的局部放大圖Fig.10.The map of BFS distribution along the FUT：(a)Measured along the entire FUT：(b)the local enlargement near heated zone.

圖11 優化后系統中待測光纖沿線布里淵頻移分布曲線Fig.11.Measured distribution of the Brillouin frequency shift along the FUT in the setup after optimization.

5 結 論

本文提出了一種基于寬線寬混沌激光布里淵光相干域分析的分布式溫度傳感系統.實驗通過改變光反饋混沌源的反饋光強度及偏振匹配態獲得了—3 dB線寬為7.5 GHz的寬線寬混沌光源并將其應用于BOCDA系統中,在300 m傳感光纖上實現了7.05 mm空間分辨率的測量.后通過引入時間門控技術提出了一種優化方案,有效地提高了系統的測量精度,最終實驗實現了3.12 mm高分辨率的分布式溫度測量.與前面提到的基于ASE噪聲的布里淵光相干域系統相比,本文中的寬線寬混沌光源與ASE噪聲源類似,均具有低相干、類隨機的特性,可使系統免受被調制激光器特性的限制,從而易實現毫米級高分辨率的測量,但寬帶混沌光源不受光譜密度和輸出功率低的限制,所以傳感距離不局限于2 m.然而在該系統中采用數字光功率計進行信號的采集與解調,會引入較高的測量增益譜背景噪聲導致傳感距離僅有數百米.所以在接下來的工作中,一方面通過對采集系統的改進和優化,旨在數公里傳感光纖上實現毫米級高分辨率的分布式溫度或應變的測量.另一方面通過連續光注入混沌激光器或者利用混沌激光器產生的混沌信號注入另一個自由運行激光器,產生帶寬進一步加強的混沌信號,旨在進一步提高分布式溫度測量的精度.綜上,該研究結果為一些基礎設施結構的高精度監測提供了一種新思路.