另外,当泵浦光与信号光的偏振态发生交换时,即两束泵浦光产生的声栅是y偏振,此时在不改变泵浦光与信号光频率的条件下,信号频率应低于泵浦光。
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