光纖光柵與受激布里淵信號的耦合特性

孫寶臣, 侯躍敏, 李 峰, 李劍芝*

(1.石家莊鐵道大學 大型結構健康診斷與控制研究所，河北 石家莊 050043；2.河北省減隔震技術與裝置工程技術研究中心，河北 衡水 053000)

光纖光柵與受激布里淵信號的耦合特性

孫寶臣1,2, 侯躍敏1, 李 峰1, 李劍芝1,2*

(1.石家莊鐵道大學 大型結構健康診斷與控制研究所，河北 石家莊 050043；2.河北省減隔震技術與裝置工程技術研究中心，河北 衡水 053000)

近年來，光纖布拉格光柵傳感器與全分布式光纖傳感器的融合技術受到了廣泛關注，然而光纖布拉格光柵與布里淵信號之間的耦合特性鮮有報道。本文研究了光柵類型、波長、反射率及光纖的光致折射率對受激布里淵信號的影響規律，并探討了空間分辨率對光纖布拉格光柵定位功能的影響。實驗結果表明，在布里淵光時域分析系統中，光纖布拉格光柵處有尖銳的反射峰，而啁啾光柵、長周期光柵及光致折射率變化的光纖處均未出現尖銳的反射峰；光纖布拉格光柵反射率與受激布里淵散射功率譜無關；當光纖布拉格光柵的波長接近1 550 nm時，對受激布里淵頻移測量的影響最大；在8 m的長度范圍內，光纖布拉格光柵的定位誤差約為4 cm，并且與空間分辨率無關。

光纖布拉格光柵；受激布里淵信號；耦合規律；反射譜

1 引 言

全分布式光纖傳感技術以其長距離(甚至可達上百千米)、無級連續測量的獨特優勢，越來越受到國內外學者和工程師的青睞[1-5]，尤其是基于布里淵散射的全分布式光纖傳感技術(BOTDA/R)已經在結構健康監測領域受到了廣泛關注[6-8]，其空間分辨率可以達到厘米甚至毫米級別[9-11]。同時，光纖布拉格光柵(FBG)傳感技術具有高精度、可復用以及動態測量的獨特優勢[12-13]。因此，國內外學者將BOTDA/R與FBG結合，充分利用這兩種技術的優勢形成了BOTDA/R與FBG的混合系統[14-17]。例如J. Luo等人[14]將BOTDR與FBG結合，成功地實現了輸電線結冰和拉力的監測；通過BOTDR與FBG組成的混合系統，文獻[15]獲得了20 km范圍的應變分布情況和局部高精度應變狀態；歐進萍等人[16]基于智能鋼絞線開展了鋼筋混凝土梁的預應力損失監測，并對比了FBG與BOTDA的測試效果；文獻[13]利用FBG的動態監測優勢與BOTDA構成了混合監測系統，該系統可以同時獲取動態應變和分布式靜態應變；李劍芝等人[18]將FBG作為位置指示器用于BOTDA測試系統的精確定位。盡管FBG傳感器與全分布式光纖傳感器的融合技術研究已經取得了很大進展，但目前研究人員仍不清楚FBG與布里淵信號間的耦合特性，這嚴重限制了FBG與BOTDA融合傳感系統的應用。

因此，本文將探討光柵類型、光纖布拉格光柵特性參數對受激布里淵信號的影響規律，同時研究了空間分辨率對光纖布拉格光柵定位效果的影響。

2 實 驗

受激布里淵測試方法采用雙端測試，將光纖的一端接應變分析儀的pump端，另一端接probe端，實驗裝置及示意圖如圖1和圖2所示。當光纖上有光柵時，泵浦光經過光柵時發生反射，光柵的反射譜功率大于受激布里淵信號功率，因此可以在受激布里淵散射功率譜中觀測到光柵的反射峰。本實驗過程主要探索光柵與受激布里淵信號的耦合規律，分別進行了光柵種類、光致折射率變化與光柵特性參數(反射率和波長)對受激布里淵散射功率譜與頻譜影響的實驗，及不同空間分辨率下光柵定位精度的實驗。

圖1 受激布里淵測試的實驗裝置Fig. 1 Experimental instrument for stimulated Brillouin test

圖2 受激布里淵測試實驗的光路系統Fig. 2 Optical path system of simulated Brillouin test experiment

采用的試驗儀器為NEUBREX公司的NBX-6040A光纖應變分析儀，其最小空間分辨率為10 cm。在儀器空間分辨率對光柵定位精度影響的試驗中，空間分辨率分別設置為10，20，50，100 cm，其他實驗均采用10 cm的空間分辨率。采樣速率設置為2×1015，采樣點為5 cm，光纖折射率的設置值為1.46。

實驗中采用長周期、啁啾和布拉格三種不同類型的光柵及具有光致折射率變化的光纖。長周期、啁啾和光纖布拉格光柵的性能參數如表1所示，其光譜如圖3所示。同時，根據文獻[19]可知，載氫光纖曝光后的折射率比未載氫光纖曝光后的折射率大，而且光纖折射率的改變隨著曝光時間的延長而增大。如圖4所示，本文選取載氫和非載氫光纖作為測試樣品，其曝光時間分別為10，30，60 s。

表1 不同類型光柵的性能參數Tab. 1 Characteristic parameters of different kinds of gratings

圖3 不同類型光柵的光譜。(a)長周期光柵的光譜；(b)光纖布拉格光柵和啁啾光柵的光譜Fig. 3 Spectra of different kinds of gratings. (a) Spectrum of long period grating; (b) Spectrum of FBG and chirped grating

圖4 曝光致折射率改變光纖測試樣品Fig. 4 Test samples of optical fiber with different refractive index induced by exposure

在光柵反射率和波長對受激布里淵散射(SBS)功率譜的影響實驗中，將實驗樣品分為3組，他們的性能參數如表2所示。通過對第3組樣品施加拉力來改變光柵波長的方式，研究了應變狀態下光柵波長的變化對布里淵信號的影響。將光柵置于應變區域，通過微米級滑動平臺對其施加拉力，同時用SM125光柵解調儀精確跟蹤光柵波長的變化。拉伸光纖的長度為1 m，其兩端分別粘在承托板上，一端固定，另一端通過微米級滑臺進行位移加載，光纖的一端接入BOTDA的probe端，另一端通過耦合器分別接BOTDA的pump端和光柵解調儀，實驗裝置示意圖如圖5所示。

圖5 光柵特性參數對受激布里淵散射功率譜影響的實驗裝置示意圖Fig. 5 Schematic diagram of experimental setup for measuring the influence of grating characteristic parameters on stimulated Brillouin scatting power spectrum

ParameterGroup1Group2FBG1FBG2FBG3FBG1FBG2FBG3Group3Wavelength/nm1510153015451510153015451510153015451530153015301530153015301530153015301549.8Refractiveindex/%34.0834.6833.1660.3761.9862.6790.7389.8890.5333.1634.5334.6861.45258.9861.54189.1691.1591.1596.34Bandwidth/nm0.170.180.170.230.230.240.180.170.180.150.150.160.200.200.180.270.270.260.21

空間分辨率對光纖布拉格光柵定位影響的試驗材料選取由3個光纖布拉格光柵組成的光纖光柵串，所采用光纖布拉格光柵的性能參數如表3所示。

表3 空間分辨率對光纖布拉格光柵定位影響試驗中光纖布拉格光柵的性能參數Tab. 3 Characteristic parameters of FBG in the experi-ment of spatial resolution influence on FBG positioning

3 結果與討論

3.1 光柵類型及曝光致光纖折射率變化對受激布里淵信號的影響

圖6 不同類型光柵的受激布里淵散射功率譜Fig. 6 Power spectra of stimulated Brillouin scattering of different types of gratings

圖6是不同類型光柵的受激布里淵散射功率譜圖。可見，光纖布拉格光柵、長周期光柵及啁啾光柵與受激布里淵信號的耦合效果具有明顯差異。長周期光柵和啁啾光柵在受激布里淵散射譜圖中均未出現較明顯的反射峰，而光纖布拉格光柵的反射譜圖比較尖銳，可以清楚地確定光柵的具體位置。分析認為，長周期光柵處未出現反射峰且能量下降的主要原因是，長周期光柵將特定波長的光波散射到包層，從而引起了能量衰減。光纖布拉格光柵的布里淵功率譜中出現了尖銳的反射峰，這是由于光纖布拉格光柵將特定波長的光波耦合到纖芯模中，發生了布里淵散射光和光纖光柵反射光的耦合疊加。

圖7 不同曝光時間處理的載氫光纖受激布里淵散射功率譜Fig. 7 Power spectra of stimulated Brillouin scattering of hydrogen loaded optical fiber with different exposure time

圖7不同曝光時間處理的載氫光纖的布里淵散射功率譜圖。可見，布里淵散射譜的光功率接近于水平直線，說明曝光處未出現反射峰。因此，光纖折射率的變化對受激布里淵信號幾乎沒有影響。

3.2 光纖布拉格光柵反射率、波長對布里淵信號的影響

圖8為第2組不同反射率光纖布拉格光柵的受激布里淵散射功率譜，其中(a)為三個光纖光柵串的受激布里淵散射功率譜，(b)、(c)、(d)分別為圖(a)中光柵處的受激布里淵散射功率譜的放大圖。反射峰并未隨著光柵反射率的不同而呈現一定的變化規律，說明光纖光柵反射率對受激布里淵散射信號的影響不大。

圖8 反射率不同的光纖布拉格光柵的受激布里淵散射功率譜。(a)三個光纖樣品的受激布里淵功率譜；(b)FBG1的受激布里淵功率譜；(c)FBG2的受激布里淵功率譜圖；(d)FBG3的受激布里淵功率譜圖Fig. 8 Power spectra of stimulated Brillouin scattering of FBG with different reflectivities. (a) Power spectra of stimulated Brillouin scattering of three fiber specimens; (b) Power spectra of stimulated Brillouin scattering for FBG1; (c) Power spectra of stimulated Brillouin scattering for FBG2; (d) Power spectra of stimulated Brillouin scattering for FBG3

圖9 波長不同的光纖布拉格光柵的受激布里淵散射信號功率譜Fig. 9 Power spectra of stimulated Brillouin scattering of FBG with different wavelengths

圖10 不同波長的光纖布拉格光柵的布里淵頻移圖Fig. 10 Brillouin frequency shift of FBG with different wavelengths

圖9是不同拉伸狀態下光纖布拉格光柵及其附近光纖的受激布里淵散射功率譜。可見，隨著波長增加，受激布里淵散射功率譜的峰值幾乎不變，說明波長是否接近于1 550 nm對光柵的定位是沒有影響的。如圖10所示，隨著應變增大，處于應變區域的光柵柵區附近出現了波谷，且波長越接近于1 550 nm，柵區附近的布里淵頻移信號的波谷開口越大。此時，光纖光柵附近的布里淵頻移的劇烈波動會影響該區域的應變測量。因此，在工程實際應用中，應盡量將光柵布置在不受應變影響的區段，以避免對光柵附近區域分布式應變測量的影響。

3.3 空間分辨率對光纖布拉格光柵定位的影響

圖11是不同空間分辨率下的受激布里淵散射功率譜。可見，隨著空間分辨率增大，光纖布拉格光柵處的反射譜逐漸展寬且能量下降。10 cm和20 cm空間分辨率下的反射峰比較尖銳，而50 cm和100 cm空間分辨率下的反射譜展寬明顯。表4分析了不同空間分辨率下光柵的具體位置和定位誤差。在8 m測試長度范圍內和10，20，50 cm的空間分辨下，光柵定位誤差維持在4 cm以內；當空間分辨率達到100 cm時，定位誤差較大。以上數據是根據圖11得到的，在50 cm和100 cm的空間分辨率下，光柵處的反射譜展寬，通過讀數不易確定光柵的精確位置。因此，當儀器的空間分辨率設置為50 cm和100 cm時，光柵不再適用于高精度定位。

圖11 不同空間分辨率下光纖布拉格光柵的受激布里淵散射功率譜Fig. 11 Power spectra of stimulated Brillouin scattering of FBG at different spatial resolutions

Spatialresolution/cmSpatiallocation/mPositioningerror/cmFBG1FBG2FBG3FBG1-FBG2FBG2-FBG3108.05916.06824.1273.83.9208.05916.06824.1273.83.9508.00816.01624.0762.841007.75115.81123.87083.9

4 結 論

本文研究了光纖光柵類型、光柵特性參數以及BOTDA測試空間分辨率對受激布里淵信號功率譜和頻譜的影響規律。在布里淵光時域分析系統中，與啁啾光柵和長周期光柵相比，布拉格光柵具有尖銳的反射峰事件，適合作為定位指示工具；而光致折射率變化時，光纖不會產生光時域反射事件。高精度應變分析儀的空間分辨率小于20 cm時，光柵具有較高的空間定位精度；隨著系統的空間分辨率增大，光柵反射譜帶寬會展寬，導致定位精度下降。光柵反射率與受激布里淵功率譜無明顯的相關性，且對光柵定位幾乎沒有影響。處于拉應力狀態的光柵，當波長接近1 550 nm時，會對柵區附近光纖的布里淵頻移信號產生較大影響，進而影響柵區附近應變的測量，因此，在分布式應變測量系統中用于定位的光柵應盡可能地布設在非應變區。

綜上所述，光纖布拉格光柵適合作為全分布式光纖傳感中的定位指示器，并且值得進一步深入研究。

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Coupling characteristics between fiber grating andstimulated Brillouin signal

SUN Bao-chen1,2, HOU Yue-min1, LI Feng1, LI Jian-zhi1,2*

(1.Research Institute of Structural Health Monitoring and Control,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China；2.Technology Research Center of Engineering Vibration Isolation and Equipment in Hebei Province,Hengshui 053000,China)*Corresponding author, E-mail:lijianzhigang@163.com

Recently, the integration technique of fiber Bragg grating (FBG) sensors and distributed optical fiber sensors has attracted extensive attention. However, it is unknown about coupling properties between FBG and Brillouin signal. In this paper, we investigate the effects of optical grating types, wavelength and reflectivity and exposure-induced refractive index of optical fiber on stimulated Brillouin signal. Meanwhile, the influence of spatial resolution on positioning of FBG is discussed. Experimental results show that the sharp reflected peak from FBG occurs in the hybrid system of FBG sensor and Brillouin optical time-domain analysis (BOTDA), while no reflected peak occurs for chirped grating and long period grating, as well as exposure-induced refractive index of optical fibers. FBG reflectivity has no connection with power spectrum of simulated Brillouin scattering. It is also shown that when the wavelength of FBG is close to 1 550 nm, the influence on stimulated Brillouin signal is the largest. A positioning error of approximate 4 cm is obtained among a sensing range of 8 m, which is independent on the spatial resolution.

fiber Bragg grating (FBG);stimulated Brillouin signal;coupling rule;reflection spectrum

2017-03-10；

2017-04-15

國家自然科學基金項目(No.51508349);河北省自然科學基金項目(No.E2015210094);河北省高等學校科學技術研究青年基金項目(No.QN2016080) Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51508349); Hebei Province Natural Science Foundation of China (No. E2015210094); Youth S&T Research Fund of Colleges & Universities in Hebei Province (No. QN2016080)

2095-1531(2017)04-0484-07

TU317

A

10.3788/CO.20171004. 0484

孫寶臣(1961—)，男，河北高碑店人，教授，1982年于東北重型機械學院獲得碩士學位，主要從事智能材料方面的研究。E-mail: sunbaochen@stdu.edu.cn

李劍芝(1978—)，女，河北定州人，副教授，2004年于武漢理工大學獲得碩士學位，2009年于北京交通大學獲得博士學位，主要從事光纖傳感及智能材料結構方面的研究。E-mail: lijianzhigang@163.com