超低溫環境下光纖布里淵頻移特性研究

劉桔陽，張 楊，侯廣廈，廖 韜，高 涵

（1.中國空間技術研究院； 2.北京衛星環境工程研究所； 3.航天東方紅衛星有限公司：北京 100094）

0 引言

分布式傳感技術[1-3]采用高絕緣、化學性能穩定的光纖作為傳感元件，可在保證安全性的前提下實現長距離連續檢測，同時避免點式傳感技術中傳感器數量太多的問題。布里淵光時域分析（BOTDA）是典型的分布式傳感技術之一，最初由Horiguchi 等[4]提出，通過準確測量提取布里淵頻移解耦獲得光纖周圍環境的分布式溫度和應變信息[5-7]。

BOTDA 的原理是：在傳感光纖的兩端分別注入泵浦脈沖光和連續信號光，當泵浦光的強度高于受激布里淵散射的閾值時產生受激布里淵散射，散射光相對于泵浦光的頻率差即布里淵頻移（BFS）；而外界溫度T和應變ε與光纖的物理特性（折射率、泊松比、楊氏模量和介質密度）之間存在對應關系，即與光纖的BFS 之間存在對應關系。根據Parker等[8]的研究，溫度和應變與BFS 之間存在強線性關系，通過測量光纖各處的BFS 就可計算全光纖沿線的分布式溫度和應變。

大部分國產及進口的標準單模光纖的工作環境溫度范圍不超過-75～100 ℃，例如康寧SMF-28e+光纖的正常工作環境溫度范圍為-60～85 ℃，在超低溫或溫差較大的環境中光纖的微彎損耗將急劇加大，嚴重時甚至會導致傳感器失靈。目前，國內對低溫分布式布里淵傳感系統的研究還較少，已有傳感系統的測試溫度遠遠不能滿足航空航天領域的超低溫應用需求[9-11]。2013 年，中國科學院上海光學精密機械研究所的黃文發等[12]研究了溫度對受激布里淵散射閾值的影響，結果為溫度越低閾值越高；2015 年，中交第一公路勘察設計研究院有限公司的張娟等[13]提出了針對青藏高原凍土公路的DPP-BOTDA 方案，實驗溫度為-3～-5 ℃。

本文針對空間環境特點設計了冷熱沖擊和浸泡實驗來研究2 種典型標準單模光纖的熱穩定性和耐寒性，獲取光纖在-196 ℃超低溫下的布里淵散射特性；通過高低溫箱標定光纖的溫度系數；通過自行設計的拉伸臺解決受試段光纖溫度和形變同時控制的難題，標定了光纖的應變系數；對實驗結果進行對比分析，以確定BOTDA技術是否可應用于超低溫環境下溫度和應變測量。

1 實驗材料及裝置

實驗系統（見圖1）中選用的光纖為G.652D 標準單模光纖，可用波段范圍寬，可靈活應用于各種測量系統中，是目前國內應用最廣泛的光纖之一。該光纖1550 nm 波長處的最大衰減為0.20 dB/km，包層直徑為125 μm，涂層直徑為250 μm，采用雙層丙烯酸酯涂敷技術。實驗中所用的光纖為：光纖1涂覆層外無緊護套（以下簡稱裸纖）；光纖2 是在光纖1 的基礎上直接二次套PVC 塑料的緊套光纖（以下簡稱緊套纖）。

圖1 實驗系統組成示意Fig.1 Schematic of experimental system

1.1 低溫性能測量裝置

光纖受激布里淵散射低溫性能測量裝置如圖2所示。測量時，先將待測光纖的兩端分別接入BOTDA 解調儀的PUMP 和PROBE 接口，受試段光纖（FUT）解纏繞后松弛放置于液氮容器中；然后向容器中加注液氮，并使FUT 被完全淹沒，通過控制添加液氮的方式和頻率可進行冷熱沖擊和浸泡實驗。液氮容器下的藍色隔溫墊是用來防止實驗時-196 ℃的液氮損傷地板。

圖2 光纖的低溫性能測試裝置Fig.2 Low temperature performance testing device for optical fibers

1.2 溫度系數標定裝置

溫度系數標定裝置如圖3 所示，包括BOTDA解調儀和控溫精度為0.1 ℃的高低溫實驗箱。將裸纖和緊套纖用熔接機連接起來整盤放置于高低溫箱中，2 個跳線端從箱體左側的引線孔穿出接入BOTDA 解調儀。為確保光纖的溫度與箱內溫度完全一致，在箱內溫度達到目標溫度10 min 后再進行測量。測溫范圍為-25～25 ℃，溫度間隔為5 ℃。實驗時，先將溫度從25 ℃逐步降至-25 ℃，再將溫度逐步升回25 ℃。

圖3 光纖的布里淵頻移溫度系數標定裝置Fig.3 BFS temperature coefficient calibration device for optical fibers

1.3 應變系數標定裝置

應變系數標定裝置如圖4 所示，包括BOTDA解調儀、手動高精度（μm 級）拉伸臺、激光測距儀（測量精度1 μm）、日本島電SR23 溫控儀（控溫精度0.1 ℃）和上位機。將溫控儀的加熱線均勻纏繞于拉伸臺的1 m 長的細鋼管上，光纖的一端穿過細鋼管后與另一端同時接入BOTDA 解調儀。通過溫控儀和拉伸臺調整FUT 的溫度和應變，實際溫度和應變可通過溫控儀的顯示器和與激光測距儀配對的上位機軟件讀出。1.03 m 長的受試光纖形變范圍為0～1000 μm，裸纖的形變間隔為50 μm，緊套纖的形變間隔為100 μm，包括拉緊和放松兩種應變。

圖4 光纖的布里淵頻移應變系數標定裝置Fig.4 BFS strain coefficient calibration device for optical fibers

2 結果分析與討論

2.1 光纖的低溫布里淵頻移特性

本實驗的超低溫環境由液氮提供，常壓下液氮的溫度為-196 ℃。為防止添加或傾倒液氮的動作影響實驗結果，液氮的增減采用從容器側邊緩緩注入和自然揮發的方式。冷熱沖擊實驗使光纖在液氮（-196 ℃）和室溫（25 ℃）環境間反復切換，浸泡實驗使光纖在液氮中完全浸泡5 h，實驗結果分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 冷熱沖擊實驗結果Fig.5 Thermal shock test results

圖6 浸泡實驗結果Fig.6 Immersion test results

圖5(a)給出了受試光纖進行冷熱沖擊實驗后形成的布里淵增益譜（BGS），可以看出，裸纖和緊套纖仍能形成洛倫茲形狀的散射譜。由圖5(b)可以看出：在經歷2 輪液氮浸泡（常溫→超低溫）、液氮揮發（超低溫→常溫）的環境溫度交替沖擊后，2 種光纖的光學性能未下降，也未產生不可逆損傷。裸纖在室溫和-196 ℃環境中對應的BFS 分別為10.846 8 GHz 和10.608 0 GHz，每℃對應的頻移為1.08 MHz；緊套纖在室溫和-196 ℃環境中對應的BFS 分別為10.824 6 GHz 和10.311 3 GHz，每℃對應的頻移為2.32 MHz。2 種光纖之間的差異是由緊護套的熱脹冷縮引起的。冷熱沖擊實驗結果表明，光纖在-196 ℃低溫環境下仍然可掃描得到布里淵增益譜，2 輪冷熱沖擊后光纖BFS 的變化方向和幅值與沖擊實驗前相比沒有變化，表明這2 種光纖具備低溫測量的可重復性。

對比可見圖6(a)與圖5(a)的結果一致，表明受試光纖在液氮低溫中浸泡5 h 后不影響其增益譜的形狀。對比圖5(b)和圖6(b)可以看出，相同溫度下，2 種光纖在浸泡實驗中的BFS 與其在冷熱沖擊實驗中的BFS 一致，且不隨著浸泡時間的延長而發生變化，說明長期超低溫環境不會改變光纖的布里淵頻移特性，BFS 值只與環境溫度有關。浸泡實驗結果表明，這2 種光纖具有優良的耐寒性和熱穩定性。

2.2 溫度系數標定

BOTDA 系統中，BFS 與溫度成線性關系[8]；獲得不同溫度下光纖的BFS，通過最小二乘法進行線性擬合的直線斜率即為光纖的溫度系數。若光纖在升溫和降溫中擬合的直線重合，則表示BFS 不存在溫度響應遲滯；反之，則表示BFS 存在遲滯效應。

圖7 為裸纖的標定結果，紅色曲線代表溫度上升，藍色曲線代表溫度下降，可以看到兩擬合曲線基本重合，即上升和下降時的溫度系數相等，均為1.16 MHz/℃，不存在遲滯效應。圖8 為緊套纖的標定結果，同樣地，紅色和藍色曲線分別對應溫度上升和下降，可以看到緊套纖的遲滯效應較明顯，溫度上升時的溫度系數為2.73 MHz/℃，下降時的溫度系數為2.61 MHz/℃。推測其原因是光纖溫度未完全達到設定溫度所致——在溫度下降過程中光纖溫度高于設定溫度，而溫度上升過程中光纖溫度低于設定溫度；且緊套纖還疊加了緊護套熱脹冷縮及光纖盤上預應力的影響。

圖7 裸纖溫度系數標定結果Fig.7 Temperature coefficient calibration results of bare fibers

圖8 緊套纖溫度系數標定結果Fig.8 Temperature coefficient calibration results of tight sleeve fibers

2.3 應變系數標定

BFS 與光纖的應變成線性關系[8]：當應變為0 時，BFS 只與溫度有關；當應變不為0 時，BFS 由溫度和應變共同決定。本部分實驗探究光纖在不同溫度下的應變系數是否相同、是否存在遲滯效應。而標定光纖的應變系數須先準確找到其應變為0的臨界點——在一定溫度下，先使受試段光纖保持初始松弛，然后慢慢拉緊，當BFS 發生變化時認為光纖處于應變為0 的臨界點。應變ε和形變ΔL的關系為

其中L為受試段光纖長度，L=1.03 m。獲得一定溫度、不同形變下光纖的BFS，通過最小二乘法進行線性擬合的直線斜率即為光纖的應變系數。

圖9 與圖10 分別為裸纖和緊套纖的應變系數標定結果，藍色曲線代表光纖逐漸拉緊時，紅色曲線代表光纖逐漸放松時。可以看出：在溫度一定的情況下，形變量越大，BFS 越大；BFS 與形變成明顯的線性關系；無論裸纖還是緊套纖，同一溫度下兩擬合曲線基本重合，即同一形變下BFS 一致，與光纖是逐漸拉緊還是逐漸放松無關，不存在遲滯效應。經標定，裸纖的平均應變系數為0.023 7 MHz/με，緊套纖的平均應變系數為0.028 9 MHz/με。

圖9 裸纖應變系數標定結果Fig.9 Strain coefficient calibration results of bare fibers

圖10 緊套纖應變系數標定結果Fig.10 Strain coefficient calibration results of tight sleeve fibers

3 結束語

本文通過冷熱沖擊和浸泡實驗驗證了BOTDA在-196 ℃的超低溫環境中仍能正常使用，丙烯酸酯裸纖和緊套纖的BFS 在超低溫環境中具備熱穩定性。此外，標定了這2 種光纖的溫度系數和應變系數，結果顯示：緊套纖的溫度系數高于裸纖的溫度系數，說明緊套纖對溫度變化更加敏感；緊套纖的應變系數高于裸纖的應變系數，說明緊套纖對應變變化更加敏感。同時，緊套纖在使用過程中具備更小的彎曲半徑，機械性能優于裸纖，且沒有出現緊護套和纖芯錯位現象，表明其更適用于復雜、惡劣環境的溫度和應變測量。