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分布式OTDR干涉检测网络具有相同的超弱光纤布拉格光栅
摘要：我们使用用于声学测量的相敏光学时域反射仪（phi;-OTDR）的平衡迈克尔逊干涉仪，以相等的间隔2m展示了具有500个相同的超弱光纤布拉格光栅（uwFBG）的分布式传感网络。 通过使用无源3times;3耦合器解调，可以同时直接获得相位，幅度，频率响应和位置信息。 进行了检测水箱中声波的实验室实验。 结果表明，该系统能够很好地解调压力检测极限为0.122Pa的分布式声信号，实现在450Hz至600Hz之间具有相对平坦的频率响应的约-158dB（re rad /mu;Pa）的声学相位灵敏度。
- 介绍
光纤传感器近年来引起了相当的关注，特别是在声学测量中[1-3]。他们从单点或多点测量发展到分布式测量。对于单点或多点测量，大规模光纤布拉格光栅（FBG）网络由于其低成本和高复用能力而对主要工程师监测具有诱人的前景[4,5]。波分复用（WDM）和时分复用（TDM）是扩展传感器网络容量的两种主要复用技术[6,7]。对于WDM方法，FBG的最大数量受到单个FBG传感器的动态波长范围内源光谱宽度比率的限制。 TDM方法利用反射脉冲之间的不同时间延迟来区分传感器，即使是相同的波长，也能减轻光谱带宽问题。然而，这些正常FBG之间的信号串扰严重限制了复用能力[8]。大规模FBG网络的主要挑战是大规模复用FBG传感器，并快速询问阵列中的每个FBG。由于没有光栅区域的大量冗余数据，系统必须采用低速询问来提高精度[9,10]。
对于分布式测量，分布式光纤传感器提供了同时测量数千个点的能力，使用一个简单的，未经修改的光纤作为传感元件。 一种很有前途的技术是利用窄线宽激光器进行瑞利背向散射的相敏光时域反射（phi;-OTDR）[11,12]。 基于布里渊的长程应变传感器已经被研究[13]。 另一种混合干涉仪 - 后向散射系统被证明[14]。 但是，这些分布式传感器的主要局限在于它们不能确定全矢量声场，即入射信号的幅度，频率和相位，这是地震成像的必要条件。
最近，在绘制普通单模光纤（SMF）时，实现了超弱光纤布拉格光栅（uwFBG）阵列在线写入技术[15]。该阵列没有熔合损耗，因此显示出高机械稳定性，这为进一步应用大型FBG网络开辟了新的可能性。在本文中，我们使用phi;-OTDR的平衡迈克尔逊干涉仪进行分布式声学测量，展示了具有500个相同的uwFBG的分布式传感网络，其间距为2m。通过使用无源3times;3耦合器解调，可以同时直接获得相位，幅度，频率响应和位置信息。实验结果表明，我们的系统能够很好地解调线性强度响应的声信号，并具有相对平坦的频率响应。我们的系统为声学传感和成像提供了多功能的新工具，例如可用于地面，海底和井下测量的大型声学照相机/望远镜。
- OTDR干涉测量原理
为了沿着相同的uwFBG光纤获得分布信息，检测来自每个相同uwFBG的反射波。 通常情况下，使用phi;-OTDR技术，系统用直接检测的窄相干光脉冲探测[16,17]。 在这里，我们在phi;-OTDR的输出中添加一个平衡的迈克尔逊干涉仪。 图1显示了uwFBG的phi;-OTDR干涉仪的示意结构。 反射信号被注入由耦合器和两个法拉第旋转镜（FRM）组成的经典平衡迈克尔逊干涉仪中。 每个特定时间的干扰信号不仅包含光纤中相应位置的信息，而且包含几个相邻的相同uwFBG内的相位变化用于解调。
图1.具有相同uwFBGs的平衡phi;-OTDR干涉仪系统示意图。
为了更好更直接的理解，我们使用多维反射的一维脉冲响应模型来从理论上解释系统[18]。 当我们在t = 0时发射一个脉冲宽度为w和光频率为f的相干光脉冲进入光纤时，我们在光纤的输入端获得反射波，其由下式给出：
其中和是第m个uwFBG的幅度和延迟，N是uwFBG的总数，c是光在真空中的速度，是光纤的折射率，并且rect [/ w] = 1，否则为0，表示哪些uwFBGs在某个t时刻反射。 延迟对应于从输入端到第m个uwFBG的距离lm（= ml0，l0代表两个最接近的相同uwFBG之间的距离并且服从l0le;cw/ 2以便干涉可能发生），通过关系= 2/ C。 术语rect [/ w]表示脉冲传播时反射体积的变化。
因此与反射波有关的干扰功率I(t)由下式给出：
其中
- 3times;3解调方法
对于信号处理和解调部分，这里我们采用被动3times;3解调方法[19]，它由一个由循环器，3times;3耦合器和两个FRM制成的简单的平衡迈克尔逊干涉仪（图2）组成。 该方法可以直接给出由声信号引起的相位变化。 由于在调制过程中不包含载波，所以激光源的精度要求降低。 一般来说，其工作机制是为不同的手臂产生具有一定相移的调制信号。 解调原理简单得多，解调计算所带来的负担也降低了。
图2基于3times;3耦合器的迈克尔逊干涉仪结构图。
理论上，两个相邻臂之间有120°的相移[19]。 因此，三臂的输出可以表示为：
其中。 ，和分别是要检测的信号相位，噪声和系统的固有相位。对于检测光纤上的每个点，是在图3所示的解调过程之后获得的。它可以直接解调来自在没有任何傅里叶变换的情况下同时检测到的信号的所有信息。
- 实验设置和结果
图4（a）显示了具有相同uwFBG的phi;-OTDR干涉仪的实验装置。 使用上述的在线写入技术[15]，将500个相同的uwFBGs的长度各自小于1cm，以相等的间隔2m进行区分，使得相同的uwFBG光纤的总长度约为1km。 每个相同uwFBG的中心波长为1540.05nm，带宽为0.18nm，反射率为〜0.08％。
光源是一种窄线宽分布反馈光纤激光器（DFB-FL），最大输出功率为50mW，线宽为5kHz。将这种1540.05nm连续波光射入声光调制器（AOM），产生宽度为50ns的输入脉冲序列（服从原理cw / 2nfgt; 2m），重复频率固定为20kHz。脉冲之间的时间间隔应大于脉冲在光纤中传播的往返时间，以保持光纤内只有一个脉冲。对于20kHz重复频率，理论上最大光纤长度为5km，由Lle;c/ 2nf决定。
使用来自pi;相移光纤光栅的传输带宽非常窄的滤波器（F）来滤除AOM后脉冲的可能噪声，然后通过循环器将滤波后的脉冲发射到相同的wFBG光纤中。再次过滤（F）uwFBG的反射以获得更好的性能，然后注入由循环器（C），3times;3耦合器和两个FRM组成的平衡迈克尔逊干涉仪。从3times;3耦合器输出的最终干涉信号由三个高灵敏度光电探测器（PD1〜3）收集，然后通过软件程序完成信号处理方案。在我们的实验中，采用100MHz采样率的高速示波器记录2000个扫描周期，总数据采集时间为0.1s。
图4.（a）具有相同uwFBG的phi;-OTDR干涉仪的实验装置，DFB-FL：分布式反馈光纤激光器; AOM：声光调制器; F：光纤光栅滤波器; FRM：法拉第旋转镜; PD1〜3：高灵敏度光电探测器。 （b）水下分布式声学测试实验示意图。
这里我们使用水箱系统来测试具有相同uwFBG的phi;-OTDR干涉仪网络的解调能力。图4（b）]。两个水下扬声器放在水箱的底部，由一个函数发生器驱动。连接到解调仪器的相同uwFBG光纤沿水箱放置在扬声器上方5cm处，以使扬声器产生的声波可以直接传输到光纤。响应系数为300Pa / V的商用压电式水听器也放置在水下扬声器1正上方的光纤附近以测量声压幅度。函数发生器用于以两个独立的正弦信号驱动两个水下扬声器。它们具有550Hz的相同频率，但是分别具有1V和2V的不同幅度。图5（a）给出了1km光纤的全局解调结果。可以清楚地看出，在图5（a）中的绿框内存在两个相位变化，在250m到350m之间。图5（b）显示了250m到350m之间解调相位变化的3D图。我们的系统分别在273m处定位两个解调相变峰，宽度约为4m和327m，宽度约为5m。首先我们比较我们系统获得的解调声学数据和水下扬声器1的1V信号压电水听器的数据。图5（c）显示了通过快速傅里叶变换（FFT）进行频谱分析的结果。这里为波形细节我们只显示从0到0.03s的时间响应数据。我们的系统给出的解调1V信号与压电式水听器相当吻合，它具有良好的正弦曲线形状，幅度平均约为-8.025dB [= 20log（Asignal），0.397rad]。但是我们的系统给出的解调信号包含1100Hz处的二次谐波峰值，这主要是由于我们通过数值模拟我们的3times;3耦合器的不对称分光比。然后，我们在图5（b）的两个峰值处提取时域信号，并从频谱分析中给出它们的瞬时频率，如图5（d）所示。 327m处的解调2V信号也具有正弦形状，平均振幅约为-1.783dB（0.814rad）。解调的幅度比A2V / A1V（= 0.814 /0.397asymp;2.05）几乎等于发生信号幅度的比率2.当函数发生器关闭时，根据273m处的数据确定的背景噪声底限是平均约为-56dB--表明相位检测限为1.585times;10-3rad。结果表明，我们的phi;-OTDR干涉仪网络具有相同的uwFBGs，可以通过相位变化正确解调分布式声音信号的瞬时频率和频谱特性。
图5.（a）沿总共1km光纤幅度为1V的550Hz声信号的解调谱图。 （b）250m和350m之间的3D解调相位变化图[图5（a）中的红色区域]。 （c）我们的系统在273米和压电式水听器上的时间和频率响应。 （d）273m，327m和背景解调结果的时间和频率响应。
我们还使用不同的550Hz发电电压来测试幅度比例的解调精度。 发生的幅度设置为0.5V至4V。 解调结果如图6所示.4V解调信号A4V（= 1.664rad）的幅度几乎是0.5V解调信号A0.5V（= 0.211rad）的幅度的八倍，表明我们的phi;-OTDR- 具有相同uwFBG的干涉仪网络可以很好地再现具有良好线性特性的可变声学信号的相位变化。 虽然我们只测试550Hz的特性，但由于被动解调，我们系统的线性解调可以覆盖更宽的频率范围。
图6.具有不同函数的振幅信息在550Hz产生电压。
然后，为了证明我们的系统能够解调不同的声波，我们设置函数发生器向水下扬声器1输出具有相同1V幅度但不同频率的一个正弦波。图7是水下扬声器1的瞬时解调相位变化和频谱分析，从450Hz到600Hz的不同声音频率。这里对于波形细节，我们也显示从0到0.03s的时间响应数据。解调信号的平均峰值幅度在450Hz时为-8.135dB（0.392rad），500Hz时为-8.499dB（0.376rad），550Hz时为-8.025dB（0.397rad），600Hz时为-8.629dB（0.371rad）尽管存在二次和三次谐波峰值。这些结果表明我们的系统也可以解调不同频率的信号。
图7.在水下扬声器1处，解调相位的时间和频率响应随着450Hz，500Hz，550Hz和600Hz的1V声信号而变化。
此外，我们使用水听器信号将相位测量与声压联系起来。因此，使用压电式水听器来测量不同频率处的声压幅度，并且计算具有相同uwFBG的phi;-OTDR干涉测量传感网络的相位 - 压力灵敏度。表1显示了我们系统的相压数据和结果。所有四个频率的声压幅度都在30Pa左右。然后使用改变后的相位幅度计算相压敏感度，我们的系统解调除以压电水听器检测到的实际声压幅度，这几乎相同[S450Hz = 13.11mrad / Pa（-157.6dB，rerad /mu;Pa） ，S500Hz = 12.6mrad / Pa（-158dB），S550Hz = 13.18mrad / Pa（-157.6dB），S600Hz = 12.65mrad / Pa（-157.9dB）]，表明我们相同的uwFBG光纤可以很好地解调幅度，频率以及具有相对平坦的频率响应的可变声学信号的相位。虽然我们的实验带宽只覆盖了450Hz到600Hz，但由于被动解调，我们系统的频率响应可能会更宽。我们系统的压力检测极限也被估算出来，大约为0.122Pa（1.585times;10-3rad除以13mrad / Pa），与我们系统的相位检测极限相差无几。
- 进一步讨论
网络反射信号的极化。将进行进一步的实验以确定极化是否影响我们的系统，并且如果有必要的话，如何消除可能的影响。然而，干涉仪的偏振不是关键问题，并且由于其不被用作感测元件并且路径长度不长，所以它的偏振通常是稳定的并且保持良好。我们系统的空间分辨率由脉冲宽度w根据以下关系确定：cw / 2nf。但为了产生干扰信号，脉冲宽度应至少覆盖两个最近的uwFBG（cw / 2nfgt; 2m），以便我们系统的空间分辨率具有固有的最小值。可以通过较小的uwFBG分离和较短的脉冲宽度来改善。至于串扰，由于它们的超低反射率（〜0.08％），我们没有观察到我们的uwFBG之间有任何显着的串扰效应。我们还建立了数学模型，并确定了限制FBG一级串扰的条件。仿真结果表明，当FBG反射率小于0.1％时，串扰效应可以忽略不计。
与文献[20]中的后向散射型分布式传感系统相比，我们的相同uwFBG系统有其自身的优势。 虽然两种系统都使用单根光纤作为检测探头，但uwFBG反射的强度比背向散射强得多，且更稳定。 因此，我们的系统显着放宽了对多个放大器的要求，以增加信号和滤波器来抑制背景噪声。 虽然到目前为止系统性能还不错，但仍有可能改进。 声音事件的映射直接给出探测区域周围发生的事情，这一点非常重要。 具有相同uwFBGs的phi;-OTDR干涉测量可能是一种用于声学成像和成像的多用途新工具，其中单根光纤用作大量声学照相机/望远镜，光学水听器或定向加速度计阵列，其在诸如垂直地震剖面和地表地震调查。
- 总结
在本文中，我们使用phi;-OTDR干涉仪技术演示了500个相同的uwFBG的分布式声学传感方案网络，其具有相等的2m间隔。 可以通过使用无源3times;3耦合器
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