摘要：基于受激布里渊散射的光纤传感器在远程分布式应力与温度测量中，展示出优良的特性。传统结构的空间分辨率受声子寿命的通常在1m以内，近年来有许多新型原理和结构突破了这一。本文中，可以通过两个过程来实现：首先，在两个布里渊泵浦光中通过传统的布里渊作用激发出稳定的声波；然后，在高双折射光纤中使用独特的超短脉冲进行声波的布拉格反射解调。该结构可以实现低于1cm的空间分辨率，并且保留温度和应力的测量精度。

关键字：分布式光纤传感器；光纤；非线性光学；光纤传感器；受激布里渊散射。

正文

1 引言

上世纪80年代末期，基于受激布里渊散（SBS）的分布式光纤传感技术，作为传统光时域反射仪（OTDR）的替代技术，来测量光纤的局部衰减。由于光纤中布里渊散射对温度与形变的固有敏感特性，很快证实了SBS在传感应用上的潜力。由于SBS必须满足严格的相位匹配条件，使得观测到的作用在非常窄的带宽上发生了谐振光谱的传播（典型值是波长为1550nm，线宽为27MHz）。因此，有许多基于SBS的不同结构得以提出，用来改善传感的性能，包括测量范围、空间分辨率和测量时间。在大部分的时域布里渊传感器中，仍然存在着如何去克服有限声子寿命带来的空间分辨率的，大约是1m（等效于10ns长度的泵浦脉冲），可能观测到布里渊谐振谱的过度展宽。

最近提出使用高双折射光纤基于动态布里渊光栅的分布式传感技术（DBG-DS），实现了很高的空间分辨率，甚至在保偏光纤的分布式双折射率测量中也得到了应用。使用这种原理进行传感的空间分辨率仅仅受限于声波的运动，且大大低于1mm。本文的实验结果也基于前述成果的基本原理，但大大巩固了DBG的细节原理。另外，也涉及到许多新型的传感机理，可以实现5.5mm的极限空间分辨率，这是我们了解到的时域布里渊分布式传感器的最高性能指标。

2 基于动态布里渊光栅分布式传感的基本原理

光纤中的受激布里渊散射是光纤中两束相向传播的光波发生的充分非线性作用（强泵浦光νpump与弱探测光νprobe），通过声波进行调和。通过光波与声波波长的正确匹配，满足特定的相位匹配条件，由于电致伸缩效应会产生一个周期性的声学密度波。在两个光波之间实现严格地光谱分离，泵浦光频率差

必须与声波频率相等

νB是布里渊频移（布里渊散射的峰值频率），Va是声速。因此这种密度波导致光纤折射率的调制，并且以类似移动光栅反射镜的形式，实现了两束光波间精确的Bragg条件。由于布拉格反射镜以声速运动，散射光会产生多普勒频移，最终从高频光波到低频光波相位实现了精确的同相耦合以及反相耦合的精确π相位相干叠加。该作用的结果是低频光波产生了指数式的增长，称为SBS放大。相反的，高频光波产生了指数式的衰减，称为SBS损耗。泵浦光可以选择高频或者低频光波，响应结果对于探测光波来说是完全对称的，并且在低增益结构中具备相等的幅值。

现在考虑在高双折射光纤比如保偏光纤（PMF）中通过SBS产生声波的情形。图1描述了两束泵浦光与信号光的频率及偏振态配置。

图1在PMF中基于SBS产生DBG的原理图，实现了正交偏振信号光的反射。

其中νB=νp1-νp2=νs-νr，νB是布里渊频移，νr是反射光波的频率

两束沿着PMF的一个主偏振轴相向传播的泵浦光（泵浦光频率为νp1，探测光频率为νp2，布里渊频移νB=νp1-νp2）相互作用并产生声栅。由于两束相互作用光波的本质是产生最大振幅的声波，优先选择两束功率相等的光波同时作为泵浦光。该情形下，与泵浦光偏振方向正交传播的信号光，会被声栅反射。然而，信号光频率必须与泵浦光不同，因为慢偏振轴与快偏振轴之间的折射率差，使得布拉格条件只能在特定频率满足。事实上，光栅的属性包括谱宽与反射率可以通过改变两个泵浦光的时间波形进行动态控制，称为动态布里渊光栅（DBG）。

DBG的中心频率是

其中ng是群折射率。根据光纤中SBS的严格频率匹配条件

其中nx与ny是光纤慢轴与快轴的折射率，上标x,y代表光波的偏振方向，Va代表声速。由于nx由于DBG产生的物理过程与信号的解调机制完全不同，这种传感技术呈现出巨大的优势。首先，DBG的谱宽由泵浦光周期确定的光程长度决定。一般用连续光（CW）作为布里渊泵浦光源，但优先选择脉冲光作为泵浦光2，能够与信号脉冲同向传播和预判，避免泵浦光1可能的损耗与额外增益。尽管如此，这种脉冲光显示出远超声子寿命（>10ns）的周期并对声波进行完全的构造。只要涉及到信号脉冲，产生的DBG沿着光纤一直存在，并保持较窄的布里渊增益谱。其次，测量的空间分辨率本质上由信号脉冲的周期决定。需要指出的是，信号脉冲只用于探测局部光栅的幅值，因此它的周期可以缩减到任何需要的值，使得在保证布里渊频移νB测量精度的前提下，实现相对较小空间分辨率的测量成为可能。事实上，DBG作用类似于布拉格反射镜，它的光谱传送函数能够完全地与光纤中刻写的弱布拉格光栅（FBG）相比较。因此可以假设，信号脉冲是在沿着很长的弱FBG传播，并且是在被脉冲覆盖的小部分栅区反射。因此可能得到沿着光纤的局部布里渊光栅幅值的高空间分辨率映射。总地来说，DBG是由准CW光波产生并且它的幅值只依赖于指定位置的布里渊增益谱决定。超短脉冲的反射率与局部光栅幅值成比例，它的后向散射时间分布直接提供了局部声波幅值的映射。通过改变泵浦光1与泵浦光2的频率差，可以得到不同频率的声波，并得到受温度应力强烈影响的布里渊增益谱。

基于DBG的分布式传感器的工作原理如图2所示，红点代表外部施加的应力与温度。

图2 基于DBG分布式传感器的示意图，两束泵浦光与信号脉冲分别沿着X轴和Y轴偏振。

PBC：偏振合束器。PMF：保偏光纤

如果光纤上的布里渊频移不会发生改变，两束CW光波的SBS作用会在光纤上产生反射率为常数的DBG。因此，信号脉冲在通过栅区传播时会被连续地后向反射。然而脉冲反射率在热点区域会迅速下降，因为在该区域的布里渊频移不同，因此决定栅区强度的布里渊增益也随之消失。将时间轨迹映射到光纤距离可以在光纤上查找到指定热点事件的空间位置。另外，时间曲线可以反转显示热点区域的最大反射率，只要两束泵浦光的频率差符合该区域的布里渊频移。所有的布里渊频率配置可以通过扫描两束泵浦光的频率差得到，并且可以解析出局部的布里渊光谱。从确定的光谱与中心频率可以对温度与应力进行测量。

3 实验设计与结果

基于DBG的实验设计如图3所示。

图3 使用PMF作为传感元件的基于DBG-DS的原理框图。

EOM：电光调制器。FBG：光纤布拉格光栅。EDFA：掺铒光纤放大器。

LP：线偏振器。FUT：待测光纤。PBC：偏振合束器

一个商用1551nm的分布反馈式激光二极管（DFB-LD1）作为光源，最上层的分支使用掺铒光纤放大器（EDFA）进行放大输出布里渊泵浦光1，经线偏振器（LP）调整偏振态至X轴，并进入PMF的一端。进入光纤前泵浦光1的功率由可调光衰减器调整至20dBm。较低层的分支通过电光调制器在布里渊频率νB附近进行调制，一个直流偏置适当施加在EOM上，对载波光信号进行完全地抑制。因此，在EOM的输出端，会在光载波信号附近产生±νB频率的两个旁带信号。高频旁带信号通过可调光纤布拉格光栅（FBG）进行精确选择，输出光功率通过另一个EDFA进行放大，生成泵浦光2。通过这种方式，两束布里渊泵浦光能够以接近νB的频率差进行分离，并且它们的光谱距离保持着固有地稳定性。泵浦光2同样通过LP调整至X轴，并在进行PMF的另一端前调整功率至20dBm。

信号脉冲的产生，是通过改变施加到DFB-LD2上的EOM的注入电流，并施加适当的匹配波长。如图4所示，得到重复频率25MHz（周期40ns），脉冲半宽全高（FWHM）55ps的信号脉冲序列，长于传感光纤中2.1ns的转换时间。因此，可以保证在整个传感光纤中只有一个信号脉冲存在。

图4 通过增益开关技术，得到FWHM持续时间为55ps的信号脉冲功率瞬态分布。

该脉冲提供测量的空间分辨率为5.5m

由于信号频率的最佳中心是在光栅谐振峰的中间，因此信号脉冲的中心频率可以通过施加在LD上的温度进行精确控制。实验证明，DBG的光谱比泵浦光源1高45GHz，由光纤的双折射决定。信号脉冲通过高增益的EDFA进行强烈地放大，输出峰值功率大约为20W，以此来弥补光栅的弱反射率。信号脉冲的偏振态调整至Y轴与两束泵浦光正交。信号脉冲通过偏振合束器与泵浦光1合并，入射至偏振保持色散位移光纤，以5.5mm的空间分辨率对分布式声栅信号进行解调。

实验中使用一段42cm长的偏振保持色散位移光纤（PM-DSF）作为传感光纤（FUT），测量该光纤的布里渊特性，显示布里渊频移是10.56GHz，布里渊增益FWHM带宽是30MHz。FUT的布置如图5所示。

图5 局部热点放置在传感光纤的起始端，在传感光纤的一段长度为8mm的

光纤段上，放置一个局部尖锐温度转变，实现温度控制

PM-DSF与PMF熔接显示出独特的布里渊频移，并使用塑料热缩管对熔接点进行保护。实验在距离熔接点77mm处通过热电阻制造了长度为8mm的热点区域。而且，传感光纤与大块的光学石头平台进行紧密的接触，避免热点区域的热量传递到光纤的其余部分，可以在热点区域附近观察到平滑的布里渊频移。

为了实现沿着光纤的分布式测量，信号脉冲传播时通过DBG反射回来的瞬态曲线通过快速探测器获得，探测器的平均计算次数为32次，采样率为40GSa/s，相当于4points/cm。事实上，瞬态曲线的获得是通过设置步长为1MHz，范围为10.50~10.65GHz，泵浦光1与泵浦光2之间的一系列频率差Δν获得。图6是沿着图5所示的光纤启始端得到的分布式布里渊增益谱（BGS）的3D图形。

图6 沿着包含有热点的传感光纤的起始端得到的布里渊增益谱

的3D图形，通过32次时间平均获得

由图可知在8mm加热区的BGS与处于通常状态下的其余光纤分离开来，证实系统具有很高的空间分辨率。精确的布里渊频移分布通过测量计算，得到空间分辨率为5.5mm关于位置的函数，如图7所示。

图7 基于DBG对传感光纤的布里渊频移进行分布式测量，显示出在

热点区域有急剧的变化。同样可以观察到熔接保护套管的热缩应力效应

由于温度变化，可以观察到热点附近急剧的阶跃式布里渊频移变化。根据之前的测量，温度变化为+30K时，可以得到的布里渊频移变化量为+28MHz。

分别在环境温度与区域加热的两个不同位置处的局部BGS如图8所示。

图8 位于热点区域（红色）与环境温度（黑色）下不同位置处的局部BGS

在热点区域的光谱没有强烈放大的情况下，可以观察到两个BGS峰值频率的飘移，显示出光谱宽度为52MHz。在标准的时域布里渊传感器中，使用同样信号脉冲的得到相同空间分辨率需要与FWHM带宽为8GHz，显示出布里渊频率测量的精度与高空间分辨率紧密联系。BGS的光谱形状反映出在指定空间分辨率内的温度分布，通过变化的BGS可以观察到热点区域不同的温度形状。由于mm尺度下热传导显得非常重要，标准尺寸石英光纤的扩散长度大约为3mm，此时在整段光纤观察平滑与锐利的热转换显得非常具有挑战性。由于光纤双折射对外界温度的依赖性，布里渊中心频率的飘移方向是与温度变化呈反比，典型值是50MHz/K。事实上，实验中的峰值减少可以简单解释为DBG的整体飘移。但是信号脉冲8GHz的谱宽保证了在相当大温度范围内有足够的反射率。

如图8所示在熔接保护部分的10mm长的区域可以观察到布里渊频率的线性变化，达到1MHz/mm。这种布里渊频率的逐渐减少来源于压缩应力，可能来源于热缩区域的冷却。在之前的研究中，布里渊频率对应力的依赖通过实验进行了验证，达到了0.05MHz/με。因此，可以估计由于热缩保护引起的残余应力可以达到200με。

根据有效亚厘米空间分辨率与严格DBG定位的说明，对一个沿着光纤随机空间的连续温度变化进行了测试。温度梯级的空间序列通过使用五个手指简单地接触PMF实现，接触点被正常体温加热，如图9所示。

图9 如内图所示，当单手的5根手指置于光纤上时，得到沿着传感光纤的信号脉冲的瞬态分布。

在环境温度下调整泵浦频率差得到最大反射率。在各手指的位置，手指的局部温度足够产生失谐，

导致布里渊光栅反射率的局部下降

两束泵浦光的频率差Δν设置为在环境温度下产生最大的反射率。因此，信号脉冲传播至手指按压处会产生较小的反射率，导致时间曲线产生如图9所示的5个下沉区域，代表局部加热事件，等效于5根手指的各个位置。各手指间的相对间隙可以简单地通过下沉区域的位置验证。

4 结论

本文首次通过实验论证，使用基于PMF中DBG的传感系统，实现了时域编码亚厘米分布式布里渊光纤传感。在这种类型的分布式传感系统中，信号脉冲的宽度对测量精度没有影响，因为脉冲与声栅的产生无关，因此测量的布里渊谐振光谱带宽并不是根据信号脉冲的功率谱改变。由此意味着系统的空间分辨率可以无限提升，可以下降至亚毫米的尺度。然而，在该尺度下，一些效应将不可忽略，比如热扩散，光纤中的应力分布以及在声子寿命时间（<0.1mm）内声波的传输。要达到这种几乎到极限的空间分辨率，光纤的尺寸开始变得不可忽略，并且将影响整个测量过程。

附录

1 术语

受激布里渊散射（SBS）；

声子寿命（phonon lifetime）；

相位匹配条件（phase matching condition）；

测量范围（measurement range）；

空间分辨率（spatial resolution）；

测量时间（measurement time）；

动态布里渊光栅分布式传感（DBG-DS）；

强泵浦光（strong pump wave）；

弱探测光（weak probe wave）；

非线性效应（nonlinear interaction）；

电致伸缩作用（electrostriction process）；

多普勒频移（Doppler shift）；

声栅（acoustic grating）；

偏振模色散漂移光纤（polarization maintaining dispersion shifted fiber）；

布里渊增益谱（Brillouin gain spectrum）；

同相耦合（in-phase coupling）；

相干叠加（coherent superposition）；

反射耦合（reverse coupling）；

保偏光纤（polarization maintain fiber，PMF）；

光谱传送函数（spectral transfer function）；

边带信号（sideband signal）；

布拉格反射镜（Bragg reflector）；下载本文