01導讀

斜坡輔助技術作為能使布里淵分布式光纖傳感系統實現動態應變探測的解決方案之一，具有成本低、系統簡單等優點。然而該技術的應變探測范圍通常受限于布里淵散射譜的帶寬，在單模光纖中的探測范圍低于1000με，限制了該方法在大動態應變測量方面的應用。 近期，廣西師范大學胡君輝教授團隊提出一種基于頻率均衡器的大動態應變斜坡輔助BOTDR系統，利用頻率均衡器創造一個人為斜坡，以頻率均衡器帶寬內的布里淵信息代替單一頻率分量的增益作為探測信號，使得斜坡輔助技術的應變測量范圍不再取決于布里淵散射譜的帶寬而是頻率均衡器的帶寬，最終在單模光纖上實現了最大為3108με的大動態應變測量。相關成果以“Large dynamic strain measurement via slope-assisted Brillouin optical time domain reflectometry using a frequency equalizer”為題在Optics Letters期刊上發表，廣西師范大學碩士研究生劉戈為第一作者，胡君輝教授為通訊作者。

02研究背景

斜坡輔助技術利用布里淵散射譜斜坡的近似線性區域，使布里淵頻移和布里淵增益之間呈線性相關，通過解調布里淵增益即可獲得布里淵頻移的變化。該方法無需對布里淵散射譜進行頻率掃描，極大地縮短了系統的單次采樣周期，非常適合于動態應變測量。然而該方法能夠測量的應變范圍取決于布里淵散射譜斜坡上的近似線性區域范圍，一旦測量的應變所對應的相對頻移量超過這個范圍，布里淵頻移與布里淵增益就不再是線性對應關系，無法通過布里淵增益實現正確的解調。

03創新研究

3.1 基于頻率均衡器的斜坡輔助測量方法

傳統的斜坡輔助測量方法如圖1(a)所示，將工作頻率固定在布里淵散射譜斜坡上的某處，通過探測單一頻率分量的時域信號實現應變的解調。在斜坡輔助BOTDA系統中，工作頻率可以通過調整探測光和泵浦光的頻率差來選取。而在斜坡輔助BOTDR系統中，則是通過一個額外添加的帶通濾波器來過濾出工作頻率處的信號。基于頻率均衡器的斜坡輔助測量方法如圖1(b)所示，將帶通濾波器換成頻率均衡器，通過頻率均衡器制造一個人工的斜坡。此時探測信號不再是單一頻率的時域信號，而是頻率均衡器內各個頻率分量信號的疊加，并且由于頻率均衡器對頻率增益的線性調制，其信號強度隨著頻率升高而線性遞減。利用這種方法，其斜坡輔助技術的應變測量范圍不再依賴于布里淵散射譜的帶寬，而是依賴于頻率均衡器的調制范圍。

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圖1 兩種斜坡輔助測量方法: (a)基于布里淵散射譜; (b) 基于頻率均衡器

3.2大動態應變測量

選擇合適的工作頻率，搭建斜坡輔助BOTDR系統進行大動態應變測量，其系統結構如圖2所示，其系統結構與傳統BOTDR系統基本一致，僅僅只需在光電探測器之后再增加一個頻率均衡器。傳感光纖為約1.94km的單模光纖，振動區域位于距離光纖末端20m處，長度為9.65m。

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圖2 系統實驗原理圖

在兩個不同的振動頻率下測量了最大應變為518-3108με的動態應變，其信號如圖3所示，測得的應變-信號強度關系分別為0.0044 mV/με@10.3 Hz和0.0041mV/με@13.1Hz。

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圖3不同振動頻率下的振動信號: (a)10.3Hz; (b)13.1Hz

測量頻率的大小與應變噪聲通過計算動態應變信號的功率譜密度(PSD)得到，其結果如圖4所示。當標定頻率為10.3Hz時，應變噪聲為17.8dB，最大頻率誤差為0.5Hz。當標定頻率為13.1Hz時，應變噪聲為17.6dB，最大頻率誤差為0.8Hz。

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圖4不同標定頻率下的PSD: (a)10.3Hz; (b)13.1Hz。不同標定頻率下的頻率誤差: (c)10.3Hz; (d)13.1Hz。

04應用與展望

本團隊提出了一種基于頻率均衡器的大動態應變斜坡輔助BOTDR系統，其測量的應變范圍取決于頻率均衡器的帶寬而不是布里淵散射譜的帶寬，顯著的提高了斜坡輔助方法的應變測量范圍。實驗上在普通單模光纖上測得了最大為3108με的動態應變，并且應變和信號強度之間有良好的線性度。該方法的系統結構相對簡單，并且成本相對較低，為基于斜坡輔助技術的大動態應變測量提供了一種新的思路。