BOTDA系統(tǒng)偏振效應(yīng)研究動(dòng)態(tài)

尚秋峰，李玉潔

（華北電力大學(xué) 電子與通信工程系，河北 保定 071003）

0 引 言

基于布里淵光時(shí)域分析（Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA）的光纖傳感系統(tǒng)具有準(zhǔn)確測(cè)量沿傳感光纖溫度和應(yīng)變的能力，是目前有吸引力的分布式光纖傳感方法之一，在巖土工程和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等方面有著廣泛應(yīng)用［1］。BOTDA是基于受激布里淵散射（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）原理的。SBS中的各參數(shù)（增益、頻移和線寬等）都是與偏振相關(guān)的，因此探究偏振態(tài)與布里淵各參數(shù)之間的關(guān)系，對(duì)于提取分布式傳感光纖沿線的振動(dòng)、溫度和應(yīng)變參數(shù)，做到全息傳感是有參考價(jià)值的。

單模光纖中的偏振效應(yīng)對(duì)BOTDA傳感系統(tǒng)性能影響較大。一方面對(duì)偏振態(tài)的控制可以很好地提高傳感測(cè)量精度，2012年P(guān)reussler Stefan等人［2］利用偏振態(tài)的控制技術(shù)提高了BOTDA的空間分辨率；2019年西南交通大學(xué)信息光子與通信中心又通過(guò)對(duì)消除偏振態(tài)衰落方法的改進(jìn)，提高了BOTDA的測(cè)量精度［3］。另一方面偏振態(tài)變化靈敏，可以檢測(cè)到微小的變化量，可以利用偏振態(tài)的敏感特性來(lái)進(jìn)行測(cè)量，這在目前分布式傳感光纖振動(dòng)預(yù)警方面有很好的研究前景。2007年Bao等人［4］利用基于BOTDA分布式光纖傳感的偏振特性相關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)高速公路上不同車(chē)載振動(dòng)來(lái)觀測(cè)車(chē)流量。

本文綜述了布里淵散射偏振效應(yīng)研究機(jī)理以及基于布里淵散射的偏振控制等相關(guān)技術(shù)提高布里淵光纖傳感系統(tǒng)測(cè)量性能等方面的研究動(dòng)態(tài)，希望能對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究提供參考。

1 偏振態(tài)相關(guān)的布里淵增益譜研究

1994年 Deventer M O 等人［5］發(fā)表了偏振光相關(guān)SBS分析方面的開(kāi)創(chuàng)性論文，提出初始輸入泵浦和信號(hào)波的偏振態(tài)在相互處于平行和正交狀態(tài)時(shí)，分別對(duì)應(yīng)了布里淵增益的最大和最小值，自此開(kāi)啟了對(duì)偏振態(tài)相關(guān)布里淵參數(shù)的研究。

1.1 偏振相關(guān)增益矢量模型分析

2010年 Ursini Leonora等人［6］提出通過(guò)數(shù)值積分方程來(lái)表示隨機(jī)雙折射光纖受激布里淵放大中的 偏 振 相 關(guān) 增 益 （Polarization－Dependent Gain，PDG）矢量。在光纖輸出端，由于非線性偏振牽引效應(yīng)，信號(hào)波偏振態(tài)偏向與大功率的泵浦波的PDG矢量方向?qū)R。在隨機(jī)雙折射影響較大時(shí)，PDG矢量趨向于與泵浦光的線性偏振分量對(duì)齊，而與圓形偏振分量方向相反。

2012年謝尚然等人［7］給出了泵浦光和探測(cè)光沿光纖的光波偏振態(tài)（State of Polarization，SOP）演化以及光纖沿線各處的布里淵增益的數(shù)值仿真，建立了布里淵散射增益與光纖本地雙折射矢量之間的關(guān)系模型，介紹了利用布里淵散射增益偏振關(guān)聯(lián)性可進(jìn)行橢圓雙折射單模光纖雙折射分布式測(cè)量的方法。2017年謝尚然課題組又利用Stratonovich方程［8］對(duì)該SBS偏振特性矢量模型進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)平均布里淵增益與泵浦光和信號(hào)光的偏振匹配關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值研究。

2014年，Williams D 等人［9］建立了最通用的光纖橢圓雙折射模型，用于穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)SBS相互作用。橢圓雙折射引入了布里淵的頻移偏差，并引入了布里淵光譜曲線畸變。該模型研究了雙折射效應(yīng)和布里淵光譜隨著不同的光偏振和脈沖寬度變化的演化規(guī)律，為分布式傳感應(yīng)用提供了預(yù)測(cè)依據(jù)。

2015年清華大學(xué)光纖傳感實(shí)驗(yàn)室［10］給出了受激布里淵增益和損耗同時(shí)存在時(shí)的矢量模型，建立了一個(gè)較完整的關(guān)于SBS的基礎(chǔ)理論模型。穩(wěn)態(tài)下斯托克斯空間中的矢量模型為

式中：SAS、SS和P分別為反斯托克斯光、斯托克斯光和泵浦光的斯托克斯矢量，SAS0、SS0和P0均為光強(qiáng)；α為光纖的損耗系數(shù)；β為信號(hào)光的雙折射矢量；β′為泵浦光的雙折射矢量；Re為取各增益系數(shù)矢量的實(shí)部；!as、!s、!ps和!pas分別為反斯托克斯光、斯托克斯光、泵浦光和斯托克斯光作用、泵浦光和反斯托克斯光作用的增益系數(shù)。模型綜合了光強(qiáng)方程和歸一化斯托克斯矢量的空間演化方程，當(dāng)只考慮增益型時(shí)，在泵浦非耗盡假定下，泵浦光矢量模型可簡(jiǎn)化為－＝－αP－β′×P。該模型同時(shí)考慮了SBS作用、偏振態(tài)影響和雙折射效應(yīng)。數(shù)值仿真結(jié)果如圖1所示，曲線反映了最大最小布里淵增益分別對(duì)應(yīng)不同偏振態(tài)以及雙折射分布的關(guān)系。該課題組在利用該受激布里淵放大信號(hào)模型進(jìn)一步提出了單模光纖的偏振拍長(zhǎng)均值估計(jì)方法［11－12］。

圖1 不同輸入偏振態(tài)和雙折射分布下的平均布里淵增益

2017年，王春華等人［13］提出了考慮偏振譜影響的SBS矢量理論模型，研究了光譜偏振擴(kuò)散的現(xiàn)象，即信號(hào)光的不同頻率分量的偏振態(tài)受到了不同的SBS作用拉伸。在具有給定輸入泵浦光SOP的任意光纖中，將偏振態(tài)擴(kuò)散看作是光纖雙折射的線性旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向趨向于對(duì)應(yīng)最大SBS增益信號(hào)光的輸出SOP方向。SmaxIN為對(duì)應(yīng)最大SBS增益信號(hào)光的輸入SOP方向。偏振擴(kuò)散大小由SBS增益最大／最小的比值和信號(hào)波輸入SOP在SmaxIN上的投影來(lái)決定，比值和投影這兩個(gè)參數(shù)都是光纖雙折射和泵浦輸入SOP的函數(shù)。本光譜偏振擴(kuò)散的研究結(jié)論，對(duì)2012年謝尚然等人在BOTDA系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中觀察到的SBS頻移的偏振相關(guān)偏差現(xiàn)象［7］給出了理論解釋?zhuān)矠槭褂闷衿鱽?lái)調(diào)整處理SBS增益譜提供了理論基礎(chǔ)。

2018年北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光纖通信研究所［14］在分析穩(wěn)態(tài)光纖布里淵放大時(shí)，考慮了在長(zhǎng)距離單模光纖中泵浦信號(hào)和探測(cè)信號(hào)的SOP，提出了穩(wěn)態(tài)光纖布里淵放大器模型，并給出了包含偏振系數(shù)的理論分析與計(jì)算過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到包含反斯托克斯、瑞利后向散射、受激布里淵放大和自發(fā)布里淵放大分量的信號(hào)，證明了泵浦信號(hào)與探測(cè)信號(hào)之間的相對(duì)偏振狀態(tài)從平行到正交變化時(shí)，光纖布里淵放大器的效率會(huì)隨之變低。

1.2 偏振相關(guān)的布里淵增益譜參數(shù)分析

2012年Bao等人［15］研究了單模光纖中由于光纖不均勻而引起的布里淵線寬和峰值頻率對(duì)光波偏振態(tài)的依賴關(guān)系，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了布里淵增益譜不對(duì)稱(chēng)因子和有效峰值頻率，驗(yàn)證了布里淵線寬和峰值頻率的SOP依賴性。

2017年清華大學(xué)光纖傳感實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合馬克斯·普朗克光科學(xué)研究所［16］給出了一個(gè)描述偏振相關(guān)增益矢量沿光纖隨機(jī)雙折射演化的新模型，揭示了PDG模值和方向的演變規(guī)律，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性。該模型考慮了光纖雙折射的時(shí)變分布，將PDG矢量的數(shù)據(jù)參數(shù)（平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差）表示為光纖拍長(zhǎng)、輸入泵浦光功率和光纖長(zhǎng)度的函數(shù)，研究結(jié)果對(duì)光纖類(lèi)型和拍長(zhǎng)、折射率和光纖長(zhǎng)度等光纖參數(shù)的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。模型指出PDG矢量的模值為Δ＝Gmax－Gmin，方向與信號(hào)光方向重合。考慮偏振牽引效應(yīng)、光纖雙折射對(duì)信號(hào)、泵浦波S OP和信號(hào)波功率演變的影響，給出公式）gP－β×Δ，式中：P為泵浦光偏振態(tài)的斯托克斯矢量；g為布里淵峰值增益系數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中輸入的泵浦光波長(zhǎng)為1 550 nm時(shí)，g＝0.3W－1m－1。根據(jù)公式可以計(jì)算出PDG的大小和方向。圖2所示為PDG矢量隨光纖隨機(jī)雙折射變化的關(guān)系曲線。圖2（a）所示為PDG模值與光纖拍長(zhǎng)Lb的函數(shù)曲線，PDG模值振幅受光纖長(zhǎng)度、布里淵增益系數(shù)和光纖損耗共同影響，在Lb＞1 000m時(shí)，達(dá)到飽和上限值26.00dB；在Lb＜10m時(shí)，達(dá)到飽和下限值8.84dB。圖2（b）所示為PDG方向與泵浦S OP方向的對(duì)準(zhǔn)度與Lb的函數(shù)曲線。仿真考慮了3種偏振態(tài)（線性、橢圓和圓形）的泵浦光。當(dāng)雙折射可以忽略時(shí)，對(duì)應(yīng)最大布里淵增益的輸出信號(hào)光偏振態(tài)方向幾乎與輸入泵浦光S OP方向相同，且與泵浦光輸入S OP狀態(tài)無(wú)關(guān)。當(dāng)雙折射較大時(shí)，PDG方向?qū)Ρ闷止廨斎隨 OP類(lèi)型有極大相關(guān)性。由圖可知，Lb為測(cè)量偏振相關(guān)布里淵增益的重要參數(shù)。

圖2 PDG矢量隨光纖隨機(jī)雙折射變化的曲線

1.3 利用偏振效應(yīng)進(jìn)行布里淵增益譜調(diào)整

2017年上海大學(xué)特種光纖實(shí)驗(yàn)室［17］提出了基于SBS在光纖中的偏振擴(kuò)散效應(yīng)來(lái)調(diào)整和處理SBS增益譜的方法，即利用信號(hào)波偏振態(tài)與布里淵增益之間的變化關(guān)系，使用偏振器達(dá)到調(diào)整SBS增益的目的。該實(shí)驗(yàn)室在文獻(xiàn)［18］中整理出了在無(wú)泵浦耗盡假定下，信號(hào)光與泵浦光的SOP矢量傳播方程為

式中：Is和Ip分別為信號(hào)波和泵浦波的光強(qiáng)和＾p分別是泵浦光和信號(hào)光的歸一化斯托克斯矢量；r0為在信號(hào)頻率和泵浦頻率近似相等條件下的布里淵增益系數(shù)為歸一化布里淵頻率偏移（Brillouin Frequency Shift，BFS）差值，ν 為布里淵頻率，νB為布里淵偏差頻率，ГB為布里淵增益頻譜的半高全寬為信號(hào)光偏振態(tài)的ξ分量；和分別為信號(hào)波和泵浦波的偏振矢量。

式（7）理論描述了信號(hào)光偏振態(tài)的演化，待號(hào)右邊第1項(xiàng)為由光纖雙折射引起的SOP演化；第2和3項(xiàng)為由SBS引起的SOP演化。在無(wú)雙折射情況下，信號(hào)光偏振態(tài)同時(shí)受到SBS作用的縱向拉伸，橫向拉伸，造成偏振擴(kuò)散趨向泵浦信號(hào)輸入SOP方向。在實(shí)際單模光纖中，偏振擴(kuò)散也有類(lèi)似的擴(kuò)散偏向，趨向于對(duì)應(yīng)最大SBS增益的信號(hào)光的輸出SOP方向。利用光譜SOP擴(kuò)散效應(yīng)，可以通過(guò)使用偏振器來(lái)調(diào)整處理SBS增益譜。此外，在文獻(xiàn)［13］的研究基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［18］中明確給出了SBS作用的偏振相關(guān)增益譜方程為

式中：L為光纖長(zhǎng)度；z為光纖位置。

進(jìn)一步對(duì)偏振相關(guān)BFS偏差ΔνB進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，ΔνB＝νtop－νB，vtop為最大布里淵增益對(duì)應(yīng)的信號(hào)光頻率，歸一化頻率為，圖3所示為SBS增益譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，不同偏振態(tài)曲線的布里淵增益峰值對(duì)應(yīng)了不同的歸一化信號(hào)波頻率，可明顯看到頻移。結(jié)果表明：在隨機(jī)性的背后，ΔνB具有可測(cè)量的確定性，可以通過(guò)規(guī)律性設(shè)置泵浦波偏振態(tài)＾p和信號(hào)波偏振態(tài)＾s來(lái)實(shí)現(xiàn)。該文獻(xiàn)研究的偏振相關(guān)布里淵頻移規(guī)律對(duì)基于BFS的BOTDA系統(tǒng)噪聲預(yù)測(cè)和變量監(jiān)測(cè)有指導(dǎo)意義。

圖3 SBS增益譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

2 正交偏振分集及牽引技術(shù)

基于SBS的分布式光纖傳感器在長(zhǎng)距離和復(fù)雜的電噪聲環(huán)境下性能優(yōu)異。BOTDA中通過(guò)計(jì)算與應(yīng)變或溫度對(duì)應(yīng)變化的BFS，可獲得沿傳感光纖的分布式信息變化［19］。提高信噪比是BOTDA技術(shù)在較長(zhǎng)傳感范圍內(nèi)要考慮的重要問(wèn)題。實(shí)際單模光纖中，由于光纖的微彎、扭曲和環(huán)境溫度的變化使兩個(gè)相互正交的偏振基模折射率隨機(jī)變化造成隨機(jī)雙折射［20］，所以探測(cè)波和信號(hào)波的偏振態(tài)不能在傳感光纖上保持一致［3］，導(dǎo)致光纖輸出偏振態(tài)隨機(jī)變化，即偏振衰落現(xiàn)象。因此控制偏振擾動(dòng)是提高光纖傳感系統(tǒng)信噪比和空間分辨率的重要部分［21］。抗偏振衰落主要技術(shù)方案有消偏器［22］、法拉第旋光鏡法［23］、偏振分集技術(shù)和偏振態(tài)反饋控制［24］等，保偏光纖制作復(fù)雜、成本高；偏振態(tài)反饋控制對(duì)偏振控制器和反饋控制算法響應(yīng)度要求高；法拉第旋鏡法消偏效果好、技術(shù)成熟，但它增加了傳感頭的復(fù)雜度；偏振分集技術(shù)簡(jiǎn)化了傳感單元，且可以應(yīng)用在遠(yuǎn)程傳感光纖中［20］，以下對(duì)其作簡(jiǎn)要介紹。

2017年Soto M等人［25］實(shí)驗(yàn)觀察到了BOTDA系統(tǒng)的偏振牽引效應(yīng)對(duì)泵浦光SOP的影響，給出了偏振牽引對(duì)布里淵增益譜失真的影響程度，并測(cè)量了使用正交偏振探測(cè)波時(shí)的偏振牽引對(duì)布里淵增益譜失真的影響程度，為下一步消除偏振牽引提高測(cè)量精度提供了參考。

控制偏振衰落最普遍的方法是采用擾偏器。2016年華北電力大學(xué)安琪等描述了擾偏器偏振控制技術(shù)對(duì)BOTDA傳感器性能的影響［26］。擾偏器的作用是將光的偏振態(tài)隨機(jī)化，在很短的時(shí)間內(nèi)，以較高的速度不斷改變其偏振態(tài)，最大限度地遍歷所有可能的偏振態(tài)，從而在一定時(shí)間里令偏振光的總體效果失去偏振特性。使用擾偏器可以很好地消除偏振衰落，但需要進(jìn)行多次數(shù)據(jù)采集做偏振平均，增加了額外的測(cè)量時(shí)間，并且不能保證傳感系統(tǒng)穩(wěn)定性［27］。而偏振分集技術(shù)通過(guò)在接收端采用不同夾角的檢偏器對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢偏以消除被檢信號(hào)的偏振衰落問(wèn)題［28］，不需要額外擾偏，在降低偏振噪聲的同時(shí)，減少了測(cè)量時(shí)間。

2015年 Urricelqui J等人［27］采用了與以往不同的偏振分集技術(shù)，將兩個(gè)正交偏振態(tài)的泵浦脈沖光與相位調(diào)制的探測(cè)波相互作用。兩個(gè)正交的泵浦波保證了在光纖的每個(gè)位置發(fā)生兩個(gè)互補(bǔ)的布里淵相互作用，使它們作用之和總是等于單個(gè)保持偏振態(tài)一致的泵浦波和探測(cè)波的SBS作用。提出了使用偏振分集技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)分布應(yīng)變測(cè)量的理論模型，并且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的合理性。2016年陶一鳴課題組［19］使用正交偏振態(tài)的泵浦脈沖對(duì)結(jié)合利用平衡檢測(cè)的探測(cè)波［29］相互作用的方法，與傳統(tǒng)使用擾偏器相比，該方法在消除偏振噪聲的同時(shí)，相同測(cè)量精度下采集時(shí)間減少一半。

2018年張敬東課題組將偏振分集技術(shù)和循環(huán)編碼結(jié)合使用來(lái)消除偏振衰落，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離分布式動(dòng)態(tài)應(yīng)變檢測(cè)，提高了信噪比［30］。探測(cè)光的兩個(gè)邊帶的偏振態(tài)相互正交，減少了SBS帶來(lái)的強(qiáng)偏振敏感性噪聲，避免了偏振平均從而降低了測(cè)量時(shí)間。動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量實(shí)驗(yàn)在2km的單模光纖上識(shí)別了4Hz的振動(dòng)事件。

利用偏振分集技術(shù)消除偏振衰落的原理：依次對(duì)兩個(gè)正交偏振態(tài)的泵浦波測(cè)量布里淵增益，再將連續(xù)兩次測(cè)量的布里淵增益進(jìn)行疊加。但這種方法潛在要求探測(cè)波的偏振態(tài)保持不變。可是在SBS過(guò)程中，脈沖泵浦波不僅放大了反向傳播的低頻連續(xù)探測(cè)光功率，而且改變了它的SOP。單脈沖BOTDA傳感器中，在幾十ns的泵浦脈沖寬度范圍內(nèi)，布里淵增益通常對(duì)探測(cè)波SOP影響不大。但在格雷編碼的BOTDA系統(tǒng)中，每次測(cè)量探測(cè)波SOP偏離效應(yīng)不斷累積，引起了偏振分集技術(shù)效率降低。因此，2018年周殷課題組提出了偏振分集復(fù)用（Polarization Division Multiplexing，PDM）脈沖編碼技術(shù)，如圖4所示，基于交替正交偏振態(tài)雙向牽引的泵浦光方案，以防止探測(cè)波SOP偏差的積累，從而消除了偏振牽引的影響［28］。

圖4 偏振分集復(fù)用脈沖編碼技術(shù)原理圖

探測(cè)光SOP在與前一個(gè)泵浦編碼脈沖作用時(shí)與初始狀態(tài)稍有偏離，將由來(lái)自后一個(gè)正交編碼脈沖的正交拉力恢復(fù)。SOP的偏差無(wú)法累積，提高了偏振分集技術(shù)消除偏振衰落的效率。該課題組在2019年對(duì)PDM脈沖編碼技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)［3］，基于雙邊帶混合偏振正反牽引效應(yīng)（Hybrid Polarization Pulling and Pushing Effects，HPP），在簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)裝置的同時(shí)消除了偏振衰落，抑制布里淵增益波動(dòng)效果良好。圖5所示為格雷編碼BOTDA系統(tǒng)中的布里淵增益波動(dòng)對(duì)比圖。基于HPP的PDM技術(shù)采用了正交偏振態(tài)的泵浦光，探測(cè)光的偏振態(tài)經(jīng)過(guò)SBS作用后偏離了初始偏振態(tài)，但是探測(cè)光斯托克斯分量（偏振牽引）和反斯托克斯分量（反偏振牽引），在分別與正交偏振態(tài)的泵浦光進(jìn)行SBS作用后，將一直保持相同的偏振態(tài)。在輸入正交泵浦光的同時(shí)，對(duì)探測(cè)光的雙邊帶進(jìn)行分離和SBS過(guò)程后疊加，所以HPP能消除布里淵波動(dòng)。該方法的關(guān)鍵在于利用探測(cè)光的雙邊帶，并且必須先用對(duì)數(shù)歸一化處理后的布里淵增益／損耗數(shù)據(jù)做線性累積（累積后得出圖5中虛線G0和GB，G0為基于傳統(tǒng)偏振牽引的線性累積；GB為基于HPP方法的線性累積），再進(jìn)行疊加和譯碼處理。

圖5 格雷編碼BOTDA系統(tǒng)中的布里淵增益波動(dòng)對(duì)比示意圖

3 利用偏振效應(yīng)研究機(jī)理實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)

通常在基于SBS的分布式傳感器中，需要抑制偏振態(tài)的影響，常用的方法是對(duì)泵浦波或探測(cè)波的偏振態(tài)進(jìn)行擾偏處理，得出布里淵增益或損耗平均值。另一方面，也有研究者利用偏振效應(yīng)機(jī)理實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。2001年Bao現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量不同氣候條件下空中偏振變化的快速狀態(tài)，探討了沖擊波依賴于雙折射變化的瞬態(tài)響應(yīng)，即SOP旋轉(zhuǎn)［31］，并得出SOP隨冬季風(fēng)力引起的雙折射變化而變化。夏季SOP跟隨太陽(yáng)輻射的有限固有角度變化，沒(méi)有太陽(yáng)時(shí)，保持固有角度不變。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到航空光纖快速SOP波動(dòng)是在溫度梯度大和極端天氣事件（風(fēng)暴）下發(fā)生的，可以從天氣預(yù)報(bào)中預(yù)測(cè)快速SOP事件的到來(lái)。

分布式光纖傳感的偏振敏感性既可用于靜應(yīng)變監(jiān)測(cè)，又可用于動(dòng)態(tài)沖擊波監(jiān)測(cè)。2007年Bao等人利用SBS的偏振相關(guān)性對(duì)混凝土板上公路交通引起的分布沖擊波進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［4］。車(chē)輛高速行駛（＞100km／h）時(shí)引起的沖擊波對(duì)混凝土板產(chǎn)生壓力，進(jìn)而造成局部雙折射變化，導(dǎo)致了局部偏振態(tài)變化。圖6所示為在外部壓力作用下傳感光纖中局部雙折射變化圖解，圖中，n1和n2分別為輸入偏振態(tài)的水平和豎直分量，由外部壓力導(dǎo)致的局部雙折射變化引起了偏振態(tài)角度φ的旋轉(zhuǎn)。局部應(yīng)力誘導(dǎo)的BFS和本地雙折射的變化進(jìn)而導(dǎo)致布里淵增益或損耗隨著位置發(fā)生變化，兩者共同導(dǎo)致了斯托克斯信號(hào)光的變化，因此，檢測(cè)探測(cè)波偏振態(tài)的斯托克斯光功率可檢測(cè)通過(guò)車(chē)輛的振動(dòng)沖擊波進(jìn)而監(jiān)測(cè)車(chē)流量信息。

圖6 在外部壓力作用下傳感光纖中局部雙折射變化圖解

斯托克斯光功率方程為

式中：IS為信號(hào)光功率；IS0為輸入信號(hào)光功率；IP為泵浦光功率；gB（z，ν，t）為與光纖位置、斯托克斯光頻率和時(shí)間3個(gè)參量相關(guān)的布里淵增益系數(shù)；g（ν）為洛倫茲擬合函數(shù)的頻率相關(guān)增益因子為泵浦光與信號(hào)光頻率失諧時(shí)的布里淵增益系數(shù)；動(dòng)態(tài)偏振態(tài)變化系數(shù)γ（z，t）為由沖擊波造成的局部擾動(dòng)引起的位置z和時(shí)間t的函數(shù)。由沖擊波引起的局部應(yīng)力導(dǎo)致BFS降低以及偏振態(tài)γ（z，t）變化，共同導(dǎo)致了斯托克斯信號(hào)光的變化。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)利用壓力波引起的雙折射變化來(lái)探測(cè)泵浦波、探測(cè)波和聲波局部偏振失配造成SBS的變化。文獻(xiàn)［4，31］開(kāi)拓了利用偏振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)分布式光纖傳感參數(shù)監(jiān)測(cè)的一個(gè)較好研究方向。

本試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。在慢車(chē)道上鋪設(shè)0～80m的傳感光纖，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2s內(nèi)，由圖7（a）可知，0.5s之后監(jiān)測(cè)到有卡車(chē)（峰值較高部分）和小轎車(chē)（峰值較低部分）通過(guò)，具體的車(chē)流量信息還需要更準(zhǔn)確的理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖7（b）從單點(diǎn)時(shí)域角度分析了布里淵傳感光纖數(shù)據(jù)，顯示了慢車(chē)道的63.5m處3s時(shí)間段內(nèi)頻率波動(dòng)，可以看出在1.7～1.8 s之間出現(xiàn)了最高頻率分量15Hz，此頻率大小取決于汽車(chē)或卡車(chē)的尺寸、負(fù)載以及實(shí)驗(yàn)中混凝土板材類(lèi)型。2.3s左右的峰值頻率仍沒(méi)有回到起始值，這表明板的阻尼時(shí)間比后續(xù)車(chē)到達(dá)該板所需的時(shí)間長(zhǎng)，即存在噪聲，這也是本實(shí)驗(yàn)只能做到2m空間分辨率的原因之一。總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是一項(xiàng)較好的可行性研究：利用泵浦光、探測(cè)光和聲波的偏振態(tài)不匹配引起的SBS參數(shù)變化來(lái)監(jiān)測(cè)交通沖擊波，成功應(yīng)用了偏振態(tài)效應(yīng)機(jī)理監(jiān)測(cè)車(chē)流量的部分信息，為未來(lái)將布里淵散射中偏振效應(yīng)機(jī)理應(yīng)用到其他監(jiān)測(cè)領(lǐng)域提供了很好的思路。

圖7 本場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文綜述了分布式布里淵光纖傳感中的偏振態(tài)效應(yīng)機(jī)理及偏振控制技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)，闡述了光纖布里淵散射偏振效應(yīng)機(jī)理，進(jìn)而分析了其在分布式光纖傳感中的應(yīng)用價(jià)值，包括偏振相關(guān)布里淵增益譜模型建立、參數(shù)分析以及抑制偏振態(tài)提高分布式光纖傳感性能。然而，布里淵散射中的偏振效應(yīng)在很多研究方面仍有尚未解決的難題，比如想要做到提取分布式傳感光纖沿線的振動(dòng)、溫度和應(yīng)變參數(shù)，做到全息傳感，還需要研究更全面的偏振態(tài)空間演變機(jī)理來(lái)探究偏振態(tài)與布里淵各參數(shù)之間的關(guān)系等，這將成為下一步研究的重要內(nèi)容。