分布式光纖傳感技術及其在航空航天領域的應用展望

巴德欣，董永康

(哈爾濱工業大學可調諧激光技術國家級重點實驗室，哈爾濱 150001)

0 引 言

相對于傳統的電學傳感器，分布式光纖傳感器具有靈敏度高、電磁兼容性好、安全性高、易集成于復合材料中等優點。分布式光纖傳感器可以對傳感光纖上任意位置的物理量進行測量，傳感點連續無盲區，這極大地簡化了傳感器的布設難度，避免漏報，提高了監測的可靠性，并為航天柔性材料的形態監測提供了可行的技術途徑。

分布式光纖傳感技術已實現了多達上百種物理量的監測，其中最常用的監測物理量包括應變、振動和溫度等。目前，分布式光纖傳感技術已在基礎設施的結構健康監測、周界安防、地球物理等多個領域進行了成功的應用。本文對分布式光纖傳感技術的主要技術及水平進行了綜述，并對分布式光纖傳感技術在航空航天領域的初步應用進行了介紹與展望。

1 分布式光纖傳感技術的物理機制

分布式光纖傳感技術利用光纖中的背向散射機制，通過對背向散射光信號的測量，實現對外界物理量在全光纖上的分布式測量。光纖中常見的三種散射效應分別為瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。利用上述三種散射效應分別形成了分布式瑞利光纖傳感技術、分布式布里淵光纖傳感技術和分布式拉曼光纖傳感技術。其中，基于瑞利和布里淵散射效應的分布式傳感技術對溫度和應變敏感，廣泛應用于結構健康監測和振動監測領域，而拉曼散射信號對應變不敏感，一般只能用于溫度傳感。

2 分布式布里淵光纖傳感技術

分布式布里淵光纖傳感技術基于光纖中的布里淵散射效應。如圖1所示，布里淵散射過程是泵浦光、斯托克斯光和聲波場的三波耦合過程。由于聲波場的衍射作用，泵浦光的能量會向斯托克斯光轉移。泵浦光和斯托克斯光之間存在一定頻差，該頻差稱為布里淵頻移。光纖中的布里淵頻移是溫度和應變的函數，滿足式(1)的線性關系：

圖1 布里淵散射效應示意圖Fig.1 Schematic of Brillouin scattering

(1)

圖2 布里淵傳感示意圖Fig.2 Sketch map of Brillouin sensing

分布式布里淵光纖傳感技術自上個世紀90年代提出以來，已形成了如布里淵光時域分析(Brilouin optical time domain analysis, BOTDA)[1]、布里淵光相關域分析(Brillouin optical correlation domain analysis，BOCDA)[2]、布里淵光時域反射(Brillouin optical time domain reflectometry，BOTDR)[3]、布里淵光相關域反射(Brillouin optical correlation domain reflectometry，BOCDR)[4]、布里淵光頻域分析(Brillouin optical frequency domain analysis，BOFDA)[5]等一系列分布式傳感技方案。其中，分析型技術基于布里淵放大過程，反射型技術基于自發布里淵散射過程。前者需要在待測光纖中的兩端分別注入泵浦光和探測光，后者只需在一端注入泵浦光即可。相對于反射型技術，分析型傳感技術具有信噪比高的優點。

2.1 BOTDA技術

BOTDA技術的實現原理如圖3所示。泵浦光和探測光分別從傳感光纖的兩端注入(探測光可與泵浦光同源產生)。為了具有位置分辨能力，泵浦光一般采用脈沖光，探測光采用連續光。泵浦光與探測光在待測光纖上的不同位置相遇，發生布里淵散射作用。透過傳感光纖的探測光經由探測器探測。不同位置處與泵浦光相互作用的探測光到達探測器的時間不同，因此利用時間分辨即可實現對不同位置信息的分離。位置與回波信號的關系與雷達回波原理一致，滿足：

圖3 布里淵光時域分析原理示意圖Fig.3 Sketch map of BOTDA

(2)

式中：c為真空中的光速，n為傳感光纖的有效折射率，t0為z=0處的探測光到達探測器的時間。傳感的空間分辨率由脈沖寬度決定：

(3)

式中：τ為泵浦光脈沖寬度。因此，采用短脈沖，可以提高空間分辨率。但是由于受到光纖聲子壽命的限制，常規BOTDA技術的空間分辨率一般不優于1 m。為了提高空間分辨率，研究人員們提出了預泵浦技術[6]、暗脈沖技術[7]、差分脈沖對技術等。其中，差分脈沖對技術利用脈寬不同的兩個泵浦脈沖依次對傳感光纖進行探測，傳感的空間分辨率由兩脈沖的脈寬差決定。本課題組利用差分脈沖對技術在2 km光纖上實現了2 cm的高空間分辨率傳感[8]。

2.2 BOCDA技術

布里淵相關域分析技術是實現高空間分辨率傳感的一種有效方案。布里淵相關域分析技術通過對泵浦光和探測光做同步的頻率或相位調制，導致泵浦光和探測光在待測光纖中的局部區域內保持頻率或相位差恒定。該局部區域稱為相關峰。由于有效的布里淵相互作用被局限在了相關峰內，布里淵相關域分析技術的空間分辨率由相關峰寬度決定。在正弦頻率調制型BOCDA技術中，泵浦光和探測光的頻率同步經歷正弦調制，其空間分辨率滿足[9]：

(4)

式中：γ為光纖的本征布里淵線寬，fm為調制頻率，Δf為調制幅度。相鄰兩相干峰的距離滿足[9]：

(5)

在相位調制型BOCDA技術中，對泵浦光和探測光同步施加相位編碼調制。一般采用偽隨機序列碼或哥侖布碼。其空間分辨率由碼寬決定，滿足[10]：

(6)

式中：vg為光在光纖中的群速度，T為碼寬。兩相鄰相關峰的間距由碼長決定。對于N位編碼，其間距滿足：

dm=NΔz

(7)

利用頻率調制的BOCDA技術，目前實現的最優空間分辨率達1.6 mm[11]。利用相位調制型BOCDA技術，瑞士的Luc小組實現了最高為8.3 mm的高空間分辨率傳感[12]。本課題組利用相移鍵控技術實現的完美PRBS碼調相，將空間分辨率提升至2 mm[13]。

2.3 動態布里淵光纖傳感技術

無論是BOTDA技術還是BOCDA技術，其布里淵增益譜的測量都是通過調節泵浦光和探測光的頻率差，以此掃描布里淵增益譜而實現的。由于激光頻率調諧速度的限制，BOTDA技術的測量速度較慢，完成單次測量所需的時間一般為數十秒至分鐘量級。而BOCDA技術需要對待測光纖上各點逐一掃描，其測量所需時間往往更長：一般在分鐘甚至小時量級。由于測量速度慢，傳統的BOTDA和BOCDA技術一般只用于測量靜態或緩慢變化的信號。

為了對快速變化的信號(一般為應變或振動信號)進行監測，研究人員們提出了多種動態傳感技術方法。根據布里淵頻移的測量方法，可以大致分為兩類。一類是斜坡輔助型傳感技術，該技術利用增益譜曲線的線性區(稱之為斜坡)解調布里淵頻移，原理如圖4所示[14]。該方法將泵浦光和探測光的頻率差固定在斜坡中段，滿足：

圖4 斜坡輔助法測量動態信號的原理示意圖[14]Fig.4 Principle of slope-assisted Brillouin dynamic sensor [14]

(8)

式中：vpump和vprobe分別代表泵浦光和探測光的頻率，γ為待測光纖的布里淵線寬。當發生外界擾動時，待測光纖的布里淵頻移發生改變，導致增益譜移動，引起探測光增益發生變化。通過測量探測光增益的變化，就可以解調出外界物理量的變化。

由于這類方法不需要激光的頻率調諧，顯著提高了測量速度。該方法的最高測量速度只由光纖長度和平均次數決定。該方法測量速度快，但存在測量范圍小的問題。由于斜坡寬度一般僅為數十兆赫茲，導致僅能測量數百微應變或數十攝氏度的溫度變化。為了解決這一問題，本課題組提出了多斜坡輔助式傳感技術[15-16]，該技術通過構造首位級聯的多個斜坡，以達到拓展傳感的測量范圍的目的。利用多斜坡技術，實現了達5000 με的信號測量。由于采用多斜坡的聯合解調算法，該方法還解決了單斜坡方案易受光源和偏振波動影響的問題。

另一類動態傳感技術是基于激光頻率捷變的增益譜擬合式傳感技術。2012年Peled等[17]提出了基于捷變頻技術的動態傳感技術，其方案如圖5所示。該方法的技術構架仍然是BOTDA技術，與傳統BOTDA技術的區別是探測光是頻率階躍變化的波列。由于采用外調制技術，激光頻率調諧時間可以忽略。該技術十分有效地提高了測量速度。探測光在布里淵頻移附近做捷變頻需要高帶寬(10 GHz以上)的任意波發生器或矢量信號源，這顯著提高了該技術的技術門檻和成本，阻礙了該技術的實際應用。為了解決這一問題，本課題組提出了基于強度調制二階移頻效應的動態傳感技術[18]和基于雙調制技術的動態傳感技術[19]等，前者將任意波帶寬下降為原來的一半，而后者的任意波源帶寬僅需數百兆赫茲。

圖5 基于捷變頻技術的動態傳感技術原理[17]Fig.5 Principle of fast Brillouin senor based on frequency agility [17]

為了進一步提高測量速度，本團隊提出了基于光學啁啾鏈的動態傳感技術。如圖6所示，該方法的探測光為啁啾鏈，一個泵浦脈沖一次與所有頻率的探測光相互作用，以此利用單發次就實現了全光纖布里淵增益譜的掃描，將增益譜掃描式布里淵傳感技術的測量速度提高到了極致，最高測量采樣率達到6.25 MHz，以此對機械沖擊響應進行了測量，結果如圖7所示[20]。

圖7 利用光學啁啾鏈技術測得的由機械撞擊引發應變變化[20]Fig.7 Time-frequency response for the mechanical shock measurement[20]

圖6 基于光學啁啾鏈的動態傳感原理圖[20]Fig.6 Principle of dynamic Brillouin senor based on optical chirp chain [20]

需要注意的是，上述關于時間的討論并未涉及數據處理時間；對于增益譜擬合型分布式傳感技術，其數據處理時間是不可忽略的：由于數據處理速度一般低于數據產生數據，導致數據不能及時處理，數據擁塞。因此，對于采樣頻率要求高的應用領域，增益譜擬合式動態傳感技術一般不適用于動態信號的實時在線監測。該技術更適合于“在線數據采集+離線處理”的工作方式。而對于斜坡輔助式傳感技術，其數據處理一般基于簡單的線性計算，計算所花費的時間幾乎可以忽略，可用于高速實時在線監測。但是，增益譜掃描型技術的測量精度優于斜坡輔助式技術，這是由二者布里淵頻移解調方法所決定的。

3 瑞利光纖傳感技術

光纖中的瑞利散射源于折射率沿光纖軸向上的不均勻分布。基于瑞利散射的分布式傳感技術最早用于分布式損耗測量以及斷點檢測。其利用光時域反射(Optical time domain reflectometry，OTDR)原理，通過向待測光纖中注入脈沖探測光，以其回波信號的強度變化獲知損耗沿光纖上的分布情況。為了避免各散射點回波信號的相干，光源一般采用寬譜光源。傳統的OTDR技術只能測量損耗，為了拓展感知物理量的范圍，研究人員們發展了相位敏感型OTDR (Φ-OTDR)技術和光頻域反射計(Optical frequency domain reflectometry, OFDR)等技術。瑞利光纖傳感技術的突出優勢是高靈敏度，但其只能用于應變和溫度的相對變化測量，不具備布里淵傳感技術的絕對測量能力。

3.1 Φ-OTDR技術

與傳統的光時域反射計技術利用非相干光源不同的是，Φ-OTDR技術采用窄帶光源。因此，半個脈沖空間寬度內的各散射點的回波信號在探測器上會相干疊加。由于各散射點散射的回波信號的相位受應變(包括振動)和溫度的影響，當發生光纖形變或溫度變化時，相位變化導致疊加后回波信號的強度發生變化。通過對回波信號的強度變化進行分析，可以獲得外界擾動發生的位置信息。因此，該技術多用于對外界振動的定位，以此實現周界入侵檢測功能。

由于回波信號的強度變化與外界應變和溫度變化之間沒有確定的關系，單純通過強度變化信號只能對外界擾動的有無進行判定，無法實現應變和溫度的定量測量。為了實現定量測量，人們發展了基于相位信息的Φ-OTDR技術。該技術利用應變和溫度變化與其引起的相位變化呈線性關系這一特性，通過測量兩點之間的相位變化以解調出溫度和應變變化。該技術的靈敏度非常高，應變分辨率可達納應變量級，極適用于振動、聲波和地震波的監測。如圖8所示為用納米位移臺以20 nε每步的間距對傳感光纖進行步進拉伸時，利用Φ-OTDR解調得到的相位變化。利用相位與應變的關系就可以解調出對應的應變變化。位移臺拉伸時引起的光纖振動被準確地記錄了下來，證明了該方法的高靈敏度[21]。

圖8 20納應變測量結果[21]Fig.8 Measured phase change resulting from nanostrain using Φ-OTDR [21]

當應變和溫度變化引起的相位變化超過2π時，數據解調會發生多值現象，這限制了相位解調型瑞利傳感技術的測量范圍。為此，研究人員提出了基于雙波長的相位解調方法，實現了10.32 με到24.08 με大范圍應變的測量[22]。由于相位解調是基于回波信號的強度信息，相干衰落和偏振衰落會導致光纖局部的回波信號強度過低，引入較大的解調誤差甚至解調失敗。為此，研究人員們提出了利用多波長探測等方法來解決衰落噪聲問題[23-24]。

2009年，Koyamada等[25]提出了另一種可定量測量應變和溫度變化的傳感技術：多頻Φ-OTDR技術。該技術基于頻率補償原理：外界擾動導致的回波信號強度變化可以通過改變探測激光的頻率進行補償。Koyamada等利用多個頻率的光脈沖對傳感光纖進行探測，這些脈沖的回波信號構成一幅空域—頻域二維瑞利散射譜。通過先后兩次探測散射譜，利用一維互相關運算計算散射譜頻率移動量，以此解調應變和溫度變化。該技術無相干衰落噪聲問題。這種多頻Φ-OTDR技術的溫度測量分辨率達到了0.01 ℃，等效應變分辨率達100 nε。同樣，該技術存在測量范圍小的問題，其測量范圍受限于激光頻率調諧帶寬，Koyamada等利用2 GHz的激光調諧帶寬僅實現了0.22 ℃溫度變化的測量。在此基礎上，2017年Liher等[26]提出了雙頻Φ-OTDR技術方法，該技術利用具有一定頻差的兩個光脈沖進行探測。當外界物理量(如應變或溫度)發生變化時，兩光脈沖的回波信號會在信號軸上發生移動，通過測量信號軸上的移動量，就可以解調出溫度變化。該方法利用較窄的激光調諧頻寬就可以測量較大的溫度變化。為了實現快速測量，研究人員們還提出了基于捷變頻技術和啁啾脈沖技術的時域分析方案，實現了最快達單發次采樣的高速信號采集[27-28]。

V e=即選用的壓力膨脹罐總容積不小于0.47m3。市面有500L總容積罐體其產品直徑φ=660mm，高H=1900mm。

3.2 OFDR技術

OFDR技術最初起源于雷達系統中的調頻連續波技術，借助可調諧激光光源的相干性及大范圍的快速調諧能力，OFDR具有高空間分辨率、高信噪比等特性。

OFDR的基本結構和原理如圖9所示，其中光源是線性調諧光源，通過耦合器將光波分為兩束，其中本振作為參考光注入參考臂，經過反射后重新進入耦合器；另一束作為探測光注入測試光纖，瑞利散射信號與參考信號在探測器上發生拍頻。由于傳感光纖不同的位置處對應的散射光相對于參考光具有不同的時間延遲，導致拍頻信號的頻率不同。通過頻譜分析，即可解調出不同位置的散射信息。

圖9 OFDR基本原理圖Fig.9 Schematic of OFDR

1998年，Froggatt等[29]提出了通過測量瑞利散射光譜移動實現高精度分布式溫度和應變傳感的方法，其基本思想是將普通單模光纖纖芯折射率的隨機波動等效為沿纖芯方向具有隨機幅度與相位的布拉格光柵。外界應變與溫度變化導致光柵反射譜的移動。通過測量譜移動量，就可實現分布式的溫度和應變測量。

2011年，上海交通大學樊昕昱課題組與日本NTT的研究人員Koshikiya等合作利用相位噪聲補償的方法實現了測量距離達40 km、空間分辨率達厘米量級的OFDR系統[30]。2013年，天津大學丁振揚課題組實現了測量距離達80 km、空間分辨率1.6 m的OFDR[31]；2015年，上海交通大學何祖源團隊提出一種TGD-OFDR系統，將測量距離進一步提升到110 km，空間分辨率為1.6 m[32]。2017年，上海交通大學Wang等采用注入鎖定和級聯四波混頻技術實現了100 GHz的超線性掃描，以此在2 km傳感距離上實現了1.1 mm的高空間分辨率傳感。

4 分布式光纖傳感技術在航空航天領域的應用

光纖光柵型光纖傳感技術已在航空航天領域已開展了一些應用，如結構健康監測、溫度監測、形態測量等[33-37]。在航空領域，分布式光纖傳感技術已開展了多項機載試驗，實現了應變、振動和溫度的分布式監測。2014年三菱重工的研究人員報道了其在MU-300型商用噴氣式飛機上開展的分布式光纖傳感在線監測研究工作[38]。其試驗臺如圖10所示，傳感光纖布設于飛機尾翼前端。利用BOCDA技術進行了應變和溫度的分布式監測工作，部分測試結果如圖11所示，傳感空間分辨率為30 mm，分布式傳感測量結果與點式傳感結果相符，檢驗了應用于分布式傳感對飛機進行在線監測的可行性。

圖11 應變和溫度測量結果[38]Fig.11 Measured strain and temperature distribution [38]

圖10 機載BOCDA試驗平臺[38]Fig.10 Test bed in flight demonstration test [38]

2019年，日本航空航天局與東京大學合作發表了其利用分布式光纖傳感技術對中型飛機機翼應變進行在線監測的研究成果[39]。該監測采用OFDR系統，為了提高信器比，在傳感光纖上連續刻寫了FBG(單個FBG長度為10 cm)。其分布式傳感的空間分辨率達到了1.6 mm，測量采樣率為151 Hz，其試驗平臺如圖12(a)所示，其起飛階段的應變測量如圖12(b)所示。

圖12 基于分布式傳感技術的分布式機翼應變監測[39]Fig.12 Distributed strain sensing for aircraft wing [39]

航天器苛刻的工作環境對分布式傳感儀的體積、重量和功耗都提出了非常的要求。目前針對航天器的分布式監測技術研究工作鮮有報道。現階段，分布式光纖傳感技術雖未達到上天在軌測試的技術水平，但由于其分布式監測能力，可以提供點式傳感技術無法比擬的非富信息，在航天領域有廣泛的應用前景，特別是對柔性材料的形態監測具有突出的技術優勢。現階段，預期可首先應用于航天器及相關設備的地面研制階段，用來獲取被測物體在模擬真實環境中的應變和溫度分布信息，作為分析手段，指導設備設施的研制，并檢驗設備設施的結構安全性。

5 結束語

分布式布里淵光纖傳感技術和瑞利光纖傳感技術為應變、溫度和振動的分布式測量提供了有效途徑。目前，相關技術已在民用航空器上進行了機載在線實驗，證實了其分布式監測能力。現階段，分布式光纖傳感技術由于解調儀體積、功耗和重量等方面的限制，還不能用于在軌航天器的實時監測。未來的發展方向可走嵌入式技術路線，開展小型化分布式傳感技術研究工作，以滿足航天器監測的需求。