厘米级分辨率布里渊光纤传感器研究进展_李欢(2)

李欢，李永倩，王虎，等：厘米级分辨率布里渊光纤传感器研究进展

求厘米级的空间分辨率，如高压复合绝缘子、飞行器和船体健康诊断等。因此，在分布式光纤温度和应变测量领域，迫切需要研究高测量精度和高空间分辨率的传感方法。本文通过介绍一种使用纯时域技术获得厘米级空间分辨率且传感距离可达几千米的布里渊传感技术，阐明了布里渊分布式传感技术的研究进展和发展动态。

1基于布里渊回波的传感技术1.1布里渊回波原理

布里渊回波技术原理是在测量脉冲光发出前增加一段预泵浦脉冲光预先激发声场。泵浦脉冲光和探测光分别从光纤两端入射，泵浦光和探测光发生干涉作用，引起介质电致伸缩效应产生一个预先激发的声波场。在光纤中，泵浦场、斯托克斯场和声波场这三种场参与布里渊相互作用。与正常稳态增益条件下布里渊作用相比，泵浦场和斯托克斯场的幅度和相位经历快速的变化，由于惯性的影响，声波场需要几倍声子寿命的时间去适应这种变化。

例如，在某一时刻泵浦光突然发生变化且变化时间比声子寿命小得多时，尽管SBS作用已消失，但是声波场只是缓慢衰减，在声子寿命时间内幅度几乎不会发生变化。声波场具有在这一小段时间内可以改变泵浦光幅度或相位的性质，泵浦光将被声波场完全反射。泵浦光的反射导致与探测光发生破坏性的干涉作用，在探测光波形上可以观察到其能量有明显的微小损失，通过测量探测光能量的变化得到布里渊增益谱，确定沿传感光纤物理量的分布信息。因为这种分布信息在形式上与核磁场自旋和核磁共振作用的描述相似，为了强调这种相似，把预激发的声波场产生的反射波称为布里渊回波[2]。

图1

基于布里渊回波的分布式传感系统框图

检测和数据处理。为保证环形器输出信号只含有散射信号，需要FBG进行滤波，由EDFA产生的自发辐射噪声和由EOM1产生的上边带信号都被滤除，因此最大限度地减少了光噪声。为了保证EOM输入光偏振方向与其透光轴重合，使得入射光全部进入EOM，在其输入端加入偏振控制器P1、P2。

1.3布里渊回波传感系统类型

文献[2]中提到基于布里渊回波的传感系统的泵浦光可以有三种不同的情况，主要有亮脉冲、暗脉冲和π-相位脉冲，不同脉冲编码调制形式的泵浦脉冲如图2所示。无量纲的α为实数，β、γ为复数。脉冲第一部分在t=0时刻进入光纤，其宽度为t0；第二部分的宽度为T；最后一部分的脉宽无限长。

1.2布里渊回波分布式传感系统

基于布里渊回波的分布式传感（BrillouinEcho

图2

泵浦脉冲编码形式

DistributionSensing，BEDS）系统的原理类似于传统BOTDA系统，其系统框图如图1所示。由激光器LD

发出的连续光经耦合器输出，一部分光进入电光调制器EOM1，经微波信号驱动EOM1调制成抑制载波的双边带信号作为探测光。探测光经EDFA1放大进入传感光纤。脉冲信号发生器驱动EOM2将下边支路的连续光调制成脉冲信号作为泵浦光，经EDFA2放大进入传感光纤。在传感光纤中泵浦光和探测光发生SBS作用，散射信号经光纤光栅FBG和环形器C2组成的滤波器，进入光电检测器（PD），然后计算机对其进行

基于亮脉冲的布里渊回波传感系统中，EOM2具有确定消光比，由EOM2产生一个能量持续的泵浦光去激发声波场。亮脉冲可表示为α=γ=1/2，β=1，脉冲的

α部分进入传感光纤激发声波场。布里渊峰值功率和

泵浦脉冲宽度呈线性关系[3]，脉宽越大，布里渊峰值功率越强，如果泵浦脉冲宽度固定，布里渊峰值功率也相应固定，由此可见这种传感技术的效率很低。如果泵浦光很窄，也可以实现厘米级的空间分辨率。

暗脉冲可表示为α=γ=1，β=0，泵浦光和探测光在光纤中发生SBS作用，光纤中的声波场一直存在。如

2012年第6

期

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