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基于动态应变测量差分双脉冲和二阶调制边带高空间分辨率快速BOTDA
永康东，IEEE会员、德新巴、江涛、周星旺、张红英、朱成宇、志伟路、回丽、梁晨、肖小宝，IEEE高级会员。
摘要
我们展示了基于差分双脉冲和二阶边带调制的分布式动态应变测量的高空间分辨率快速布里渊光时域分析（BOTDA）。 通过使用来自宽带任意波形发生器（AWG）的微波信号，从调制光的二阶边带获得频率敏捷探测波，这将AWG的带宽要求减少到〜5.5GHz。 提出了差分双脉冲方案来提高空间分辨率，同时保持动态测量的能力。 在实验中，通过使用52/50 ns差分双脉冲实现了20 cm的空间分辨率，并且在50 m的熊猫偏振保持光纤上展示了分布式振动测量，观察到高达50 Hz的振动频率。只有五个平均值，应变精度的标准偏差被测量为14秒。
关键词：布里渊光时域分析（BOTDA），动态测量，应变测量，高空间分辨率。
- 前言
基于布里渊散射的分布式光纤传感器在过去几十年中引起了相当大的关注，因为它们在传感纤维上测量温度和应变的能力[1] - [6]。布里渊光时域分析方案（BOTDA）由于其高信噪比（SNR）和高精度，是非常优选的。通常，BOTDA包括两个反向传播光，即泵浦脉冲和CW探测波，并且可以通过扫描泵和探针波之间的频率偏移来获得感测光纤的布里渊增益光谱（BGS）布里渊频移附近（BFS）。通常，有两种类型的方法来产生用于BOTDA的两个频率稳定的光，即用微波源[2]进行调制和两个激光器的频率锁定[7]，[8]。然而，光频切换需要有限的时间，所以它们都不能实现快速频率扫描，因此常规BOTDA通常被认为仅适用于相对静态测量。最近，基于布里渊光学相关域分析（BOCDA），实现了100 m光纤上空间分辨率为80 cm的1.3 Hz纤维振动分布动态应变测量[9]。已经提出了斜坡辅助BOTDA用于动态应变测量，其中泵和探针波之间的频率偏移设置在BGS的斜率，并且BFS变化可以作为探测波的强度变化[10 ]，[11]。然而，测量范围受到BGS斜率的线性区域的限制。最近，提出了一种基于电动任意波形发生器（AWG）产生频率敏捷性微波信号的技术来实现快速BOTDA或F-BOTDA，其中信号频率的快速变化通过预写所需频率来实现进入AWG的记忆[12]。该方法具有快速的测量时间和广泛的测量范围。采用13ns泵浦脉冲，在100 m光纤上实现了1.3 m的空间分辨率，观察到高达100 Hz的振动频率[12]。
在空间分辨率方面，F-BOTDA面临与常规BOTDA相同的问题，其通过二氧化硅纤维中的10ns声子寿命限于lambda;1m。 差分脉冲宽度对（DPP）技术曾经被提出来提高常规BOTDA [13]的空间分辨率，基于此可以实现厘米级空间分辨率[14]。 使用DPP技术，通过使用具有不同脉冲宽度的两个长泵浦脉冲来实现两个单独的测量，并且通过在两个布里渊信号之间进行减法来获得差分信号，其中通过短路脉冲宽度可以提高空间分辨率 区别。 然而，由于两个单独测量之间的时间间隔相对较长，所以不适用于动态测量。
在本文中，我们提出了用于高空间分辨率F-BOTDA的修改的DPP方案，即差分双脉冲。 代替在通常情况下使用单个泵浦脉冲，使用具有不同脉冲宽度的两个长脉冲来形成使用泵浦脉冲的差分双脉冲，使得几乎同时获得两个布里渊信号，这允许 用于快速获取高空间分辨率F-BOTDA的差分信号。 另外，我们建议通过在载波和奇数边带被抑制下适当调整调制器的工作点，然后将AWG的带宽要求减少一半至5.5GHz，将二阶边带用作探测波。
2、测量方法和实验设置
2.1基于调制二阶边带的探头波生成
在[12]中，对于F-BOTDA，通过在电光调制器上施加频率敏捷微波信号，将调制的一阶下边带用作探测波，通过将所需频率预写入存储器 AWG。 如[12]所述，很难找到可用的商业AWG来输出11 GHz（二氧化硅光纤中的BFS）微波信号，并且使用I / Q微波调制器来提升500 MHz AWG的输出 到〜11GHz。 在本文中，我们提出使用二阶边带通过适当调整载波和奇数序边带被抑制的调制器的操作点来减小AWG的带宽要求。
常用的外部强度调制器由Mach-Zehnder干涉仪（MZI）配置设计的平面波导电路制成。 在这种配置中，输入光信号被等分成两个干涉仪臂，然后再结合。 如果两个MZI臂的相位延迟分别为lambda;1和lambda;2，则组合输出光场Eo为
（1）
其中是输入光场的复振幅，是载波角频率。 对于平衡的MZI调制器，两个臂具有相同量的相位调制但是具有相反的符号和，其中和 分别是调制电信号的振幅和角频率，是调制器的半波电压。 两个MZI臂之间的初始相位差为，它决定了调制器的工作点，可以通过调节偏置电压进行控制。
图1调制光的测量光谱。
当调制器在最大传输点运行时，实线曲线显示了支配频谱的二阶边带， frac14;2：405; 当调制器工作偏离最佳条件时，虚线表示具有更多频率的复谱。
当时，调制器在最小传输点处工作，其中产生两个一阶边带并且载波被抑制。 生成BOTDA方案的探测波（使用一阶下边带）的公知方法，其中调制频率应在BFS附近到11 GHz [2]。 当时，调制器在最大传输点运行，（1）可以重写为
（2）
其中，（2）式还可以被写成 （3）
这里，是第一类的贝塞尔函数。我们注意到，在这种情况下，奇数边带消失;如果是，载波频率的光学术语也消失，主导产出。虽然现在在频谱中存在较高的阶数，但它们的强度也可以忽略不计？图1示出了通过扫描法布里 - 珀罗干涉仪测量的调制光的光谱。当调制器在最大传输点运行时， frac14;2：405，（实曲线）表明二阶边带支配其他频率被抑制的频谱;当调制器工作偏离最佳条件时，出现载波频率和奇数边带的光学术语（虚线）。因此，通过将调制器设置在最佳条件下，通过使用窄带滤波器，可以在BOTDA系统中将二阶下边带作为探测波进行滤波，随后AWG的带宽要求减少到5.5 GHz。
2.2 测量方案
传统的DPP技术包括两个单独的测量，使用两个不同脉冲宽度的泵浦脉冲[13]，[14]。 通常需要相当长的时间完成两个单独的测量得到分差信号，因此传统的DPP技术不适合提高F-BOTDA的空间分辨率。为了解决这个问题，我们提出了一种用于高空间分辨率F-BOTDA的修正DPP方案，即差分双脉冲。如图所示。如图2所示，差分双脉冲由脉冲宽度为lambda;1和lambda;2的两个长脉冲组成，其中两个脉冲之间的间隔T应大于往返时间，即光的制作时间沿传感光纤往返。因此，两个长泵浦脉冲相继地与探测波相互作用，使得几乎可以同时获得差分布里渊信号，这允许快速获取用于高空间分辨率F- BOTDA。泵浦脉冲序列包括许多差分双脉冲对，它们之间的间隔等于2T，数字N等于探针波的频率数。使用基于AWG的频率敏捷技术，探测波的频率从f1扫描到fN，对于每个频率，其持续时间为2T。探测波和泵浦脉冲序列从传感光纤的两端同步并发射，以确保单个差分双脉冲与探测波的一个频率相互作用。
图2.探针波的方案和高空间分辨率F-BOTDA的泵浦脉冲序列。
探测波的频率从f1扫描到fN，对于每个频率，其持续时间为2T。 泵脉冲序列包括许多差分双脉冲对，其间的间隔也等于2T。
图3.实验装置。
FBG：光纤布拉格光栅，PC：偏振控制器，C：环行器，PD：光电检测器，EOM：电光调制器，DAQ：数据采集。 由电机驱动的偏心安装的塑料环周期性地振动80厘米的纤维。
2.3 实验设置
实验装置如图3所示。一个窄线宽2 kHz的光纤激光器被用作光源，它提供了一个输出功率为120毫瓦，在约1550纳米。一个3dB耦合器是用来分裂的输出光分为两部分提供泵和探针波。AWG是awg7122c泰克，产生高达9.6 GHz的频率转换时间快104 ps通道1 awg7122c输出频率捷变微波信号通过电光调制器调制光的频率范围（eom1），并且二阶低边带选择了窄带宽的光纤布拉格光栅探测波；2频道编程输出电脉冲45 ps的上升/下降时间通过eom2产生泵脉冲序列。探测波的功率为50 W，和泵浦脉冲的功率被放大的掺铒光纤放大器（EDFA）到600毫瓦。从两个通道的信号通过射频放大器放大两至合适的水平，以及它们之间的延迟可以被编程，本质上是稳定的因为他们是来自同一个设备。awg7122c在突发模式工作，使光纤的BGS测量的采样率可以方便地调节。
图4.测量三维BGS的传感光纤（a）52 / 50 ns的微分双脉冲和（b）在鉴别过程。位于44米的位置的纤维的一个80厘米的部分被拉伸。
偏振衰落是一个使用标准单模光纤的BOTDA系统常见的问题，它可以通过偏振扰频和平均数量的信号去除，随后将放缓的有效采样率。一架熊猫型保偏光纤，其纤支镜是10.845 GHz的在室温下，使用光纤作为传感光纤消除偏振衰落和提高有效采样率。两个偏振控制器，用于确保泵和探测波发射到相同的主轴的传感光纤。从AWG的微波信号频率扫描从5.4到5.5 GHz的2 MHz的步骤，使探测波的频率是从10.8到11 GHz，一步4兆赫的频率数Nfrac14;51。对于每一个频率，探测波的持续时间是1.4秒，这是大于50m的传感光纤，即往返时间的1的两倍，所以探测波的总时间为71.4 s和相应的潜在最大采样率高达14 kHz。泵的脉冲序列，微分双脉冲包括两长脉冲，即1frac14;52 ns和2frac14;50纳秒，其间隔为0.7秒与探测波匹配，泵的脉冲序列包含51对差分双脉冲。2 ns的脉冲宽度的差异给出了差分信号空间分辨率20厘米。对信号的采样率是对应8厘米/点。
- 结果和讨论
一个80厘米的部分位于纤维的位置为44米，首先施加静态应力测试。原始测得的数据是一个时间跟踪的持续时间71.4微秒。平均数为5，以提高信噪比。数据处理包括以下步骤：首先，时间的痕迹信号分为长度2t 形成51 *1750列短段，包括测量与52 / 50 ns的BGS微分双脉冲如图4所示（a）；然后，51 1750阵列从中间分为两个51个875个子阵列，差分信号是由两个阵列之间形成一个新的数组，如图（b）所示减去减法。由图4的比较（a）和（b），很明显，空间分辨率是在图4（b）的差分信号大大提高，其中拉伸80厘米段纤维清楚地显示一个20厘米的空间分辨率由2 ns的脉冲宽度差定义。
然后，我们进行了动态应变测量采用振动在80厘米段通过偏心安装的塑料环，由电动机驱动。两相邻探针波之间的时间间隔被设置为500的相应的测量BGS一2 kHz的采样率。为了提高信噪比，采用5阶移动平均法，有效采样率降低到400 Hz。图5显示了进化的振动光纤截面测量的BGS在不同的振动频率，如图5（a）为33.3 Hz，图5（b）为50 Hz。测得的动态应变作为时间的函数绘制在图6（a），和它们的功率谱是通过以下方式获得使用傅立叶变换，如图6所示（b）。我们还观察到的非正弦信号的应变变化，这应该是由非均匀振动的塑料环，和基本频率为50赫兹和二阶谐波为100赫兹清楚地示于图6（b）。BFS的标准偏差测量为0.7 MHz，对应于应变精度14”。
图5.在不同的振动频率的振动光纤截面测量的BGS的演变（一）33.3赫兹和50赫兹（B）。
图6.（a）测得的动态应变作为时间的函数和（b）其功率谱在33.3和50赫兹的振动频率。
- 结论
在本文中，我们已经证明了一个高分辨率的f-botda分布式动态应变测量。二阶边带已被提出，以提供的探针波，以减少带宽要求的AWG的一半至5.5 GHz，和修改后的民进党计划，即，差分双脉冲，已被提出，以提高空间分辨率的动态测量。高达50赫兹的振动频率已经超过一个空间分辨率为20厘米以52／50 ns脉冲微分双架熊猫光纤观察。由于潜在的有效的最大采样率可以达到3千赫与五的平均值，振动频率高达几百赫兹将很容易获得。
参考文献
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[2]M. Nikles, L. Thevenaz,和P·A·Robert,分布式光纤传感器基于布里渊简单增益谱分析,21卷10号。758 – 760页，1996年五月。
[3]S·M·Mauhan, H·H·Kee,和T·P·Newson, 57-km单端自发Brillouin-based分布式光纤温度传感器使用微波相干检测,26卷6号。331-333页。2001年三月。
[4]X.H.Jia, Y.J.Rao, L.Chang, C.Zhang,and Z.L.Ran.传感性能在长途布里渊光时域分析基于拉曼放大提高：理论和实验调
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