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基于全同超弱光纤布拉格光栅的分布式OTDR-干涉测量传感网络
摘要：我们将会进行由500个相同超弱光纤布拉格光栅（uwFBGs）构成，每隔两米使用平衡型迈克尔逊相敏光时域反射仪（phi;—OTDR）的分布式传感网络声学测量验证。通过使用被动3times;3耦合器解调算法，可在同一时间内直接获得相位、幅度、频率响应和位置信息。我们在实验室里的水箱里进行了声波探测实验。结果表明这个系统在0.122Pa的极限压力下能够很好的解调出分布式声学信号，并且能够在450Hz到600Hz的平缓频率响应下实现灵敏度在-158dB左右的声学相位检测。
- 介绍
近几年，光纤传感器受到越来越多的关注，尤其是在声学测量方面。它由单点或多点测量发展到分布式测量。相对于单点或多点测量大规模的光纤布拉格光栅网络因其价格低和高的复用能力的优点，使其在重大工程检测方面有很好的前景。波分复用（WDM）和时分复用（TDM）技术是两种主要的扩大光纤传感网络容量的多路复用技术。对于波分复用方法中，布拉格光纤传感器的最大使用数量受到单个布拉格光纤传感器的动态波长范围上的源光谱宽度的比率的限制。时分复用方法利用反射脉冲间的延时时间差，即使是在使用同种波长的光源的情况下，也能区别出不同的传感器，大大提高了光谱带宽的利用率。然而，对于普通的布拉格光纤传感器，多路复用的能力主要是受限于多路信号间的串扰。大规模光纤光栅传感网络面临的最大的挑战是大规模复用布拉格光线传感器并快速访问阵列中的每一个布拉格光纤传感器。同时因为来自无光栅区的大量冗余数据，系统不得不采用一种低速率的访问方式去确保准确性。
对于分布式测量，分布式光纤传感器通过使用简单的，无需修改的光纤作为传感元件，可以拥有同时实现对数千个点的测量。将窄线性激光作为光源的基于瑞利散射原理的相敏光时域反射仪是一项比较有前景的技术。基于布里渊的长距离应变传感器也已经被研究出来了。另一种混合式背向散射干涉仪系统正在被验证。但是上面提到的这些分布式传感系统主要问题在于他们都不能确定全矢量声场，比如对入射信号的振幅，频率和相位，而这些都是地震成像的必要条件。
最近，在绘制普通单模光纤期间，对超弱光纤布拉格光栅（uwFBG）阵列的在线刻写技术已经实现。这些阵列由于没有任何的融合损耗而表现出很高的机械稳定性，为大规模光纤传感网路的进一步运用提供了一种新的可能性。在这篇论文中，将会进行由500个相同超弱光纤布拉格光栅（uwFBGs）构成，每隔两米使用平衡型迈克尔逊相敏光时域反射仪（phi;—OTDR）的分布式传感网络声学测量验证。通过使用被动3times;3耦合器解调算法，可在同一时间内直接获得相位、幅度、频率响应和位置信息。实验结果表明，我们的系统能够解调出具有很好的线性强度响应和相对比较平坦的频率响应的声音信号。系统提供很多种新的工具用于声学测量和成像，例如可以用于地表。海底和地下测量的大型声学照相机/望远镜。
- OTDR-干涉测量原理
通过一个同种的超弱布拉格光纤获得分布式信息，需要将每一根超弱布拉格光纤传感器的反射波探测到。通常，相敏光时域反射技术用于系统中利用窄相干光脉冲进行直接测量。我们加一个平衡型迈克尔逊干涉仪去输出相敏光时域反射仪的反射量。图一显示的是基于超弱光纤光栅的的相敏光时域反射仪的原理结构图。反射信号被送入由一个耦合器和法拉第旋镜（FRM）构成的经典平衡型迈克尔逊干涉仪中。每一个特定时间的干涉信号不仅包含着光纤中相应位置的信息，而且几个相邻的同种超弱布拉格光纤传感器的相位变化可进行解调。
图一.基于同质uwFBGs的平衡型相敏光时域反射干涉仪系统结构图
为了有一个更好的更直接的理解，我们使用多次反射的一维脉冲模型在理论上去解释系统原理。当我们在t = 0时刻发射一个脉冲宽度为 w ，光频率为 f 的相干光脉冲进入光纤中，我们能在输入最后获得一个反射波E r (t)，可表示为：
其中，和分别是第m个uwFBG的幅度和时延，N表示uwFBG的总个数，c表示光在真空中的速度, 表示光纤的折射率，当0le;[(t- )/w]le;1时，rect[(t- )/w] = 1，否则其等于零，可以由此看出在t时刻哪些uwFBG正在反射光。时延与输入端到第m个uwFBG 间的距离(= m)是相对应的，且之间满足=2/c的关系。rect[(t- )/w]项占空比的变化表示脉冲的传播。
因此干涉功率I(t)与反射光之间的关系可表示为：
其中 = 4pi;f(-)/c。
的数值表示第m个和第n个uwFBG的反射光的相位差。干扰项I(t)是关于f，w，，的函数。另外，包含了uwFBG间的声学响应。当声压影响了光纤，将会因弹光效应发生改变就好像机械弹性对固体材料的影响一样，随之I(t)也会发生改变。利用这些特征，我们能够通过分析测量出的干涉功率来测量分布式声学响应。
3.3times;3解调方法
在信号处理和解调部分，我们采用的是被动3times;3解调技术，器件是由一个环形器、一个3times;3耦合器和两个法拉达旋镜构成的简单平衡型迈克尔逊干涉仪。这个方法能够直接反映出由声学信号引起的相位变化。由于在解调过程中没有使用载波信号，所以对光源激光器的准确度要求就降低了很多。一般来说，它的工作原理是在不同的臂上产生特定相位变化的调制信号。解调的方法相对更加简单，解调的计算量也会减小很多。
图二.基于3times;3耦合器的迈克尔逊干涉仪结构图
理论上，两臂之间的相位差是120°。因此，三个臂的输出可表示为：
其中，Phi;(t) = ,，和分别是探测到的信号相位，系统的噪声相位以及固有相位。对于每一个探测光纤上的点，是在经过如图三所示解调过程后得到的。它能够同时直接从探测信号中解调出所有信息，而不需要经过任何傅立叶变化。
图三基于3times;3耦合器的解调系统
4.实验装置和结果
基于同种uwFBGs相敏光时域反射干涉仪的实验装置如图.4（a）所示。500个长度小于1cm的同质uwFBGS，利用之前提过的在线刻写技术进行等距2m分布，所以这个同质uwFBGs光纤的总长度约1km。每一个同质uwFBG的中心波长是1540.05nm，带宽为0.18nm，反射率为~0.08%。
光源采用分布式反馈窄线宽光纤激光器（DBF-FL），其最大输出功率为50mW，线宽为5kHz。将这个中心波长为1540.05nm的等幅波入射到声光调制器（AOM）中去产生带宽为50ns（满足cw/2 gt;2m的原则）和固定20kHz重复率的入射脉冲序列。两个脉冲之间的间隔时间应该大于脉冲在光纤中一个往返的时间以保证只有一个脉冲在光纤中传输。理论上，20kHz的重复率要求光纤的最大长度是5km，满足Lle;c/2。
一个改变了pi;相位的具有低通滤波作用的光纤光栅被用来滤去经过声光调制器后可能产生的噪声相位，然后将过滤后的脉冲由环形器发送到同质wFBG光纤中。经由uwFBGs中反射回来的再次进行滤波处理获得更好性能的波，然后将反射光入射到具有一个环形器，一个3times;3耦合器和两个法拉第旋镜的平衡型迈克尔逊干涉仪中。最后的干涉信号从3times;3耦合器中输出，被三个高灵敏度的光探测器检测到，然后在软件程序中完成信号处理。在我们的试验中，2000个周期的扫描时间，被一台采样频率为100MHz的示波器记录下来，所有数据采集在0.1s内完成。
图.4.（a）基于同质uwFBGs的相敏光时域干涉仪实验装置图，DFB-FL：分布式反馈光纤激光器；AOM：声光调制器；F：光纤光栅过滤器；FRM：法拉第旋镜；PD1~3高灵敏度光探测器。（b）分布式水下声学测试装置结构简图。
我们利用水箱系统测试基于同种uwFBGs的相敏光时域反射干涉仪网络的解调能力。将两个水下发生器放置在水箱底部，并用函数发生器对其进行驱动。附属于解调系统的相同uwFBG光纤被放置在发生器上方5cm处，以保证发生器产生的声音能直接传送到光纤中。一个响应因子为300Pa/V的商业压电水听器被放在水下发生器1的上面靠近光纤的地方去测量声压的幅度。函数发生器分别产生两个正弦信号去驱动水下发生器。这两个正弦信号频率都是550Hz，但是幅度分别是1V和2V。对着1km光纤的总体解调结果如图.5.（a）所示。在图.5.（a）中可以很明显的看到在250到350m间的绿色框内存在两个相位变化。图5.（b）显示的是在250m到350m之间的解调相位变化的3D图。系统分别标出了273m处宽度为4m和327m处宽度为5m的两个解调相位变化峰值。首先我们比较系统由压电式水听测到的1V水下发声器解调的声信号。图.5(c)显示的是经过一级傅立叶变换得到的光谱分析结果。我们只给出了0s到0.03s的响应时间内的波形细节。系统用压电式水听仪解调出的1V信号得到了相当好的效果得到了一个幅值为-8.025dB的正弦信号。但是可能是3times;3耦合器的在模拟信号上产生的不对称分光比原因，系统解调出的信号在1100Hz处有产生二次谐波波峰。我们提取出两个峰值对应的时间域的信号并对两个瞬时间的光谱进行分析，分别如图.5(b)和图.5(d)表示出来。对327m处的2V信号解调，也能得到一个赋值为-1.783dB的正弦信号。解调出波形的幅值比/( = 0.814/0.397 asymp; 2.05)，与生成信号幅度比相似。当函数发生器关闭后，在273m出产生的本底噪声大小为-56dB，表明相位探测极限是1.585times;rad.结果表明基于全同超弱光纤光栅的的相敏光时域反射干涉网络能够通过相位变化解调出扰动信号的瞬时频率和光谱性能。
图.5.(a)在1km长度的光纤解调出的幅度为1V的550Hz声音信号图。(b)250m到350m的相位变化的3D解调图（图.5(a)的红色部分）。(c)为系统和压电传感器在273m处的时间和频率响应。(d)分别为273m，327m和底层的解调信号的时间和频率响应。
我们也通过产生不同赋值大小的550Hz的信号去测试赋值解调的准确性。生成的赋值大小从0.5V到4V。解调的结果如图.6所示。4V的解调信号的（=0.211rad），表明基于全同超弱光纤光栅的相敏光时域反射干涉仪网络能够很好的重现出具有线性性能的各种声学信号相位变化。尽管我们只测试了550Hz的性能，但是被动解调的方法保证了系统线性解调的频率范围很广。
图.6.在550Hz下 不同函数信号发生器电压信号的幅度解调信息。
为了证明我们的系统能够解调不同的声音波形，我们设置函数信号发生器去输出一个幅度为1V频率不同的正弦信号给水下发生器1.图.7显示的是对水听器发出的450Hz到600Hz不同频率下的瞬时相位解调和光谱分析。从波形形状的细节上也可以看出从0s到0.03s的时间响应数据。解调信号的平均峰值在450Hz，500Hz，550Hz，600Hz处分别为-8.135dB(0.392rad)，-8.499dB（0.376rad），-8.025dB（0.397rad），-8.629dB（0.371rad）。尽管有二次谐波和三次谐波的存在，但是这些结果表明我们的系统能够解调出不同频率的信号。
图.7对水下发生器1发出的450Hz，500Hz，550Hz，600Hz的1V声学信号的相位变化解调信号的时间和频率响应。
另外，我们使用水听器信号去联系相位测量和声学压力的关系。所以，不同频率下的声压幅度用声压水听器去测量，结果和我们系统灵敏度计算出的相同。声压幅度在不同的频率下都约为30Pa。相压灵敏度用系统解调出的相位幅度变化除以压电水听器测得的实际声压幅度计算得出，最终结果均相似 [, ]，表明我们的全同超弱光纤光栅能够解调出各种声学信号的幅度，频率和相位，都能获得一个相对平坦的频率响应。尽管我们的实验带宽只是从450Hz到600Hz，但是由于采用被动相位解调的方法系统的频率响应能够达到很宽。系统的压力探测范围也是可以估计的，差不多约为0.122Pa。
5.进一步讨论
uwFBGs的反射信号的偏振对于传感网络来说可能非常重要。需要做进一步的实验去确定信号的偏振态是否会影响到系统，以及如何去消除这种可能的影响。由于并没有将其作为一个传感因子以及其路径长度并不长，所以干涉仪的偏振并不是一个严重的问题，并且它的偏振很稳定也很容易被测量。限制系统分辨率的主要是脉冲宽度，并满足如下关系：cw/2。但是为了产生干涉信号，脉冲的宽度应该最少为最近光栅距离的两倍（cw/2gt;2m），所以是一个内在的最小值限制着系统的分辨率。这可以通过减小uwFBGs的间距及减小脉冲宽度来改善。对于串扰问题，由于我们使用的超低反射率的（~0.08%）uwFBGs，所以并没有观察到任何有意义的串扰影响我们的系统。我们也建立了数学模型去确定限制FBG中一级串扰的情况。模拟结果表明当FBG的反射率低于0.1%时，串扰影响可以完全忽略。
与基于后向散射型的分布式传感系统相比，我们的全同uwFBGs系统尤其
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