張 瑜,王 東*,白 清,李哲哲,王 宇,靳寶全,2

(1.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室,太原 030024;2.煤與煤層氣共采國家重點實驗室,山西 晉城 048012)

基于SOA脈沖調制的BOTDR應變檢測系統(tǒng)*

張 瑜1,王 東1*,白 清1,李哲哲1,王 宇1,靳寶全1,2

(1.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室,太原 030024;2.煤與煤層氣共采國家重點實驗室,山西 晉城 048012)

電光調制器調制光脈沖時易受偏振態(tài)與偏壓影響,造成調制脈沖平均功率與消光比不穩(wěn)定,影響檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性,實際中需通過復雜算法校正。提出半導體光放大器調制光脈沖的方法,通過改變注入泵浦電流調制光脈沖,采用相干探測結合微波頻率掃描方法,獲取不同頻率點下自發(fā)布里淵散射信號,經(jīng)洛倫茲擬合得到布里淵散射譜,實現(xiàn)光纖沿線布里淵頻移解調,并搭建了基于半導體光放大器的BOTDR分布式應變檢測系統(tǒng)。實驗中選取2.943 km光纖末端施加500 με,頻移測量誤差在±0.5 MHz范圍內(nèi)。研究表明可實現(xiàn)穩(wěn)定應變檢測。

應變檢測;脈沖調制;半導體光放大器;BOTDR;電光調制器

布里淵光時域反射BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)應變檢測技術是基于光纖中布里淵散射頻移與應變的線性關系,采用單模光纖作為傳感與傳輸媒介,實現(xiàn)全光纖長度上應變測量[1]。該技術僅需單端探測[2],且可實現(xiàn)應變的長距離在線檢測,故成為研究熱點并并得到廣泛應用[3-5]。目前在BOTDR傳感系統(tǒng)中多采用電光調制器EOM(Electric Optic Modulator)調制光脈沖的方法,將連續(xù)光調制成光脈沖信號并注入傳感光纖[6-7],實際應用中EOM的偏置電壓易受環(huán)境溫度、熱電效應、偏振態(tài)等因素的影響而發(fā)生漂移,影響輸出光脈沖的平均功率與消光比,降低系統(tǒng)信噪比,造成測量精度降低。南京大學張旭蘋教授課題組設計了一種“步進跟隨”算法,使BOTDR系統(tǒng)的單路動態(tài)范圍僅有0.5 dB的波動[8];中國計量學院胡佳成課題組提出了結合雙電極串聯(lián)結構EOM及“掃描-步進跟蹤”算法,實現(xiàn)脈沖消光比自動控制,將EOM輸出脈沖光的消光比穩(wěn)定在50 dB以上[9];加拿大Jeffrey Snoddy等人將鎖相放大器及PID控制算法用于EOM偏壓點控制,并依據(jù)其特點說明了兩種方法的適用場合[10]。上述方法均實現(xiàn)了EOM偏置電壓的控制,獲得消光比穩(wěn)定的光脈沖。

本文擬采用半導體光放大器SOA(Semiconductor Optical Amplifier)調制光脈沖,研究獲得消光比穩(wěn)定的光脈沖信號的方法,為提高BOTDR系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性提供一種新方案。SOA調制模塊內(nèi)部集成脈沖信號發(fā)生器,其優(yōu)點在于可提供同步輸出信號,因此,可簡化系統(tǒng)結構,降低裝置成本。

1 脈沖調制分析

傳統(tǒng)EOM調制方法的功率傳輸特性曲線可表示為[9]:

(1)

式中:Po表示EOM的輸出光功率,Pi表示輸入光功率值,P0表示EOM的泄漏光功率值;α系數(shù)由EOM自身結構決定;Vπ表示EOM的半波電壓,由EOM自身結構決定,為常數(shù);V表示EOM的加載電壓值(包括直流偏置電壓與電調制信號的電壓);y0表示EOM 的偏移相位,包括初始相位和漂移相位,初始相位由EOM的自身結構決定,漂移相位值易受環(huán)境溫度、熱電效應等因素的影響發(fā)生變化。

EOM調制光脈沖主要利用其工作在輸出光功率最大點及最小點。當加載直流偏置電壓為最小點,且電調制信號加載為其半波電壓,此時可實現(xiàn)高消光比脈沖調制。但隨著時間增加,受環(huán)境溫度等影響,y0逐漸變化,使得輸出光脈沖的幅值及泄漏光功率均變化,影響消光比穩(wěn)定性。

SOA方法主要依靠泵浦電流的變化以實現(xiàn)對輸入光的脈沖調制。當有泵浦電流注入時,SOA有源層形成粒子數(shù)反轉分布,此時輸入光信號將引發(fā)受激輻射,進而產(chǎn)生一個放大的輸出光信號;當無泵浦電流注入時,有源層未能達成粒子數(shù)反轉分布,通過的光信號被SOA源區(qū)材料本身所吸收,無法引發(fā)受激輻射,從而不能輸出光信號[11-12]。

當連續(xù)光與泵浦電流注入SOA時,其有源層載流子濃度變化及功率傳輸可表示為[13]:

(2)

(3)

式中:N為載流子濃度,I為注入電流強度,q為單位電荷電量,Γ為限制因子,αint為內(nèi)部損耗,V為有源區(qū)體積,α為線寬增長因子,hω0為光子能量,g(N)為增益系數(shù),vg表示粒子群速度,τc表示自發(fā)載流子壽命,z為光沿SOA有源層傳播方向,A表示光在SOA傳輸過程中的包絡變化,將其用功率及相位表位為:

(4)

式中:P表示輸出光功率,φ表示輸出光相位,i為虛數(shù)單位。

將式(4)代入式(2)、(3),可得光功率及光相位隨傳輸位置的變化:

(5)

(6)

對式(4)、(5)兩邊積分,可得輸出光功率Po(t)及相位φo(t)隨時間的變化:

(7)

(8)

由式(7)、式(8)可知,輸出光信號的功率及相位僅與SOA的增益有關,即與有源層載流子濃度變化有關。當施加一定周期和占空比的脈沖(大于幾皮秒)泵浦電流時,載流子濃度服從準穩(wěn)Fermi-Dirac分布,可忽略載流子加熱、光譜燒孔等效應[14],因此,溫度對增益的影響可忽略,輸出光脈沖的平均功率較穩(wěn)定,對輸出光脈沖的消光比影響較小。

2 實驗方案

為分析對比EOM和SOA對系統(tǒng)的影響,搭建了如圖1所示的BOTDR分布式光纖應變檢測系統(tǒng)。窄線寬激光器(線寬100 kHz)發(fā)出連續(xù)光,經(jīng)90∶10的光纖耦合器分為兩路,其中光功率占比為10%的一路為本征參考光,光功率占比為90%的一路為探測光。脈沖調制模塊將探測光調制成脈寬為10 ns,周期為125 μs的探測脈沖,經(jīng)由脈沖光放大器放大,光濾波器1濾除ASE噪聲后,經(jīng)光環(huán)形器注入傳感光纖。其后向散射光經(jīng)放大并濾除ASE噪聲后,與本征參考光通過50∶50光纖耦合器進入光電探測器2,實現(xiàn)相干探測。此外,為消除偏振態(tài)對拍頻信號的影響,本征參考光路增加了擾偏器。

光電探測器2輸出的電信號,經(jīng)帶通濾波器、低噪放大器處理后,進入混頻器與微波本振信號混頻?；祛l后的信號通過帶通濾波器,并經(jīng)檢波器完成功率測量后進入示波器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。通過不斷改變微波源的輸出頻率,獲取不同頻率點下的時序曲線,最后利用洛倫茲擬合算法,提取不同位置點的布里淵頻移。

圖1 布里淵光時域反射(BOTDR)的應變傳感系統(tǒng)

3 實驗分析

分別采用EOM與SOA作為脈沖調制模塊,在二者均沒有任何優(yōu)化方案下,用功率計采集2 h內(nèi)EOM與SOA輸出脈沖平均功率,結果如圖3所示。

圖2 輸出平均功率監(jiān)測方案

圖3 SOA與EOM輸出平均光功率對比

圖3中,EOM的輸出平均光功率隨時間逐漸增大,2 h內(nèi)由0.5 μW增加至17 μW;而SOA輸出平均光功率在2 h內(nèi)波動較小,約為5 nW。這是由于EOM內(nèi)部鈮酸鋰晶體狀態(tài)受到環(huán)境溫度、熱電效應等因素的影響,最終導致其輸出光脈沖消光比惡化,輸出平均光功率增加。

為進一步驗證輸出光脈沖消光比的穩(wěn)定性對時序信號的影響,采用圖1所示的BOTDR應變測量系統(tǒng),分別利用SOA與EOM調制探測光脈沖,間隔5 min采集同一頻率點下不同時刻的檢波器輸出幅值信號。兩種調制方案下,所得同一頻率不同時刻下的時序信號分別如圖4(a)、(b)所示。

圖4 同一頻率點不同時刻幅值曲線(EOM、SOA)

圖4(a)中,隨著EOM工作時間增加(箭頭方向),500 m處該頻率點下檢波器輸出幅值由0.789 V下降至0.728 V,其他位置幅值也逐漸下降;而圖4(b)中,同條件下的幅值基本穩(wěn)定在0.8 V。因此,脈沖消光比不穩(wěn)定會使時序曲線發(fā)生漂移。

實驗選用G652單模光纖作為傳感光纖,總長約為2.943 18 km,其中FUT1和FUT3分別約為2.819 km、123 m,處于松弛狀態(tài),FUT2約為1.18 m,兩端固定于精密平移臺上施加拉伸應變。分別采用SOA與EOM脈沖調制方案,施加500 με,4 h內(nèi)對光纖沿程布里淵頻移進行測試(每次間隔0.5 h)。

實驗中首先進行0 με標定,之后在FUT2光纖上施加500 με。在該應變下以步進方式改變本振微波源的輸出頻率完成對布里淵增益譜的掃描,用示波器采集不同頻率點下的時序信號。通過數(shù)據(jù)處理,得到不同位置處的布里淵散射譜,進行洛倫茲擬合得到其相應的布里淵頻移沿光纖分布情況,如圖5(a)、(b)所示。

圖5 布里淵頻移多次測量結果

圖5(a)中,選用SOA脈沖調制方案,8次測量光纖沿程布里淵頻移基本一致,未施加應變的區(qū)域頻移波動為±1.472 MHz,由光纖本身存在的應力分布和系統(tǒng)噪聲造成。2 818 m～2 823 m,布里淵頻移的變化及位置基本不變,系統(tǒng)檢測到的應變發(fā)生區(qū)間長度為1.23 m,與實測值相差0.17‰。圖5(b)中,選用EOM脈沖調制方案,隨著時間的增加,受環(huán)境溫度、熱電效應等影響,信噪比逐漸下降,最終導致無法檢測應變值。

對圖5(a)中2.82 km處布里淵頻移分布分析,如圖6所示,頻移測量誤差在±0.5 MHz范圍內(nèi)。

以Δ=500 με為步進,對FUT2段光纖逐步施加0 με～3 000 με的拉伸應變。選用SOA脈沖調制方案,實驗得到不同應變下的光纖沿程布里淵頻移分布曲線如圖7所示。

圖6 2.82 km處多次測量布里淵頻移分布

圖7 光纖沿程布里淵頻移分布曲線(不同應變)

圖7中,應變線性增加,2 820 m處布里淵頻移也相應線性增加。取該位置布里淵頻移,并計算其與初始應變布里淵頻移差值,對其進行線性擬合。所得待測光纖布里淵頻移變化與其應變改變量關系如圖8所示。

圖8 布里淵頻移變化與應變改變量關系

圖8中布里淵頻移變化與其應變改變量的線性系數(shù)為5.04 MHz/100 με,與理論值吻合。線性擬合后判定系數(shù)為0.994 17(最佳值為1),即布里淵頻移改變量與應變具有較好的線性關系。

圖9為3 000 με時,2.81 km～2.828 km區(qū)間的三維布里淵散射譜。2.82 km處,布里淵散射譜峰值對應的頻率值由10.71 GHz變化至10.86 GHz,與圖7一致。

從上述實驗結果分析可知,選取2.943 km傳感光纖末端施加應變,獲得了1.1 m的空間分辨率(應變區(qū)光纖段的上升和下降區(qū)域的10%～90%間的時間差所對應長度(以米為單位)的平均值)。檢測同一應變時,布里淵頻移值誤差在±0.5 MHz范圍內(nèi),即±10 με范圍內(nèi),故可實現(xiàn)穩(wěn)定應變檢測。

圖9 2.81 km～2.828 km區(qū)間三維布里淵散射譜(3 000 με)

4 結論

本文分析了EOM與SOA調制脈沖輸出平均功率的穩(wěn)定性及某一固定頻率點下的時序曲線,由此得出,利用SOA可得到消光比穩(wěn)定的脈沖,并對比了同一應變下兩種方案檢測結果。在此基礎上,搭建了基于SOA脈沖調制的BOTDR應變檢測系統(tǒng),實驗中選取傳感光纖2.943 km末端1.18 m光纖施加了0～3 000 με。結果表明系統(tǒng)可進行準確的應變測量,空間分辨率為1.1 m,同一應變布里淵頻移誤差在±0.5 MHz范圍內(nèi),故系統(tǒng)可實現(xiàn)穩(wěn)定的應變檢測。

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BOTDRStrainDetectionSystemBasedonSOAPulseModulation*

ZHANGYu1,WANGDong1*,BAIQing1,LIZhezhe1,WANGYu1,JINBaoquan1,2

(1.Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control Systems,Ministry of Education and Shanxi Province,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Coal and Coal Methane Simultaneous Extraction National Key Laboratory,Jincheng Shanxi 048012,China)

The light pulse modulated by Electric Optic Modulator(EOM)is susceptible to polarization and bias problems,which may cause the instability of average power and extinction ratio of the modulated pulse.Thus,the stability of detecting system is influenced,which needs to be corrected by complex algorithms. In this paper,we propose a new method that modulates probe optical pulse using a semiconductor optical amplifier(SOA)by changing the pump current. The coherent detection combined with the microwave frequency scanning method is used to obtain the spontaneous Brillouin scattering signal at different frequencies,and the scattering spectrum is obtained by Lorenz fitting to demodulate the frequency shift along the optical fiber. Finally,a BOTDR distributed strain detecting system based on SOA is built,and a strain of 500 με is imposed at the end of 2.943 km fiber. The experimental results show that a stable strain detection is achieved with a measurement error in range of ±0.5 MHz.

strain detection;pulse modulation;semiconductor optical amplifier;BOTDR;electric optic modulator

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.12.028

項目來源:燃氣管網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)開發(fā)與示范項目(MQ2014-09);復雜地質條件下煤層氣輸送管路安全監(jiān)測與預警項目(2015012005);拉曼散射提升布里淵光纖傳感檢測性能研究項目(201601D021068);利用布里淵光時域反射技術實現(xiàn)燃氣長輸管道裂紋與異常形變的在線無損檢測項目(2016BY066)

2017-05-09修改日期2017-08-18

TP211+.6;TP23;TP212

A

1004-1699(2017)12-1954-05

張瑜(1994-),女,山西運城人,碩士研究生,主要研究方向為分布式光纖傳感技術,zhangyusnow@126.com;

王東(1985-),導師,通訊作者,男,安徽廬江人,博士,副教授,主要從事光電信息與儀器工程等方面的研究,wangdongwind@gmail.com。