基于区域分离技术的光学相关传感器宽区域准分布式传感光纤应变测量

摘要

研究了光脉冲相关传感器在宽区域准分布光纤应变测量中的应用，利用光纤光栅波长复用和强度部分反射器时间复用的区域分离技术，测量参考脉冲和监测脉冲之间的相关性这种新型的传感系统可以选择多个可级联的传感区域，并在任意期望的传感区域获得分布的应变信息。

1.介绍

土木结构的损伤监测和环境监测已成为土木工程师的重要研究领域。了解这些结构在其使用寿命期间的健康和退化是非常重要的。如今，有许多类型的电子传感器(如应变片或热电偶)和光学传感器。在光学领域，已经发展了许多传感技术。这些技术可以根据测量物理大小的方式分为两类:点和分布式传感技术。点传感技术是用大量传感器在大量地点对一个物理量进行点测量，而分布式传感技术是沿着长达数米的光纤链路进行测量。最流行的点传感技术是基于光纤布拉格光栅(fbg)的技术[1]它们的主要缺点是缺少传感器之间的退化测量。此外，大多数点传感器用于检测应变的最大范围有限。另一方面，最常见的分布式传感技术是基于受激布里渊散射（SBS）、受激拉曼散射（SRS）以及光时域/频域反射计和干涉仪[2］.然而，它们需要更复杂的信息处理，响应时间较慢，通常需要更高的输入光功率要求。因此，由于后向散射强度的信噪比，测量区域受到长度的强烈限制。光脉冲相关传感系统可以查询监测光纤的总应变值，但不能识别应变位于哪个区域[3.- - - - - -6］.

因此，我们提出并演示了一种紧凑、简单的可级联的广域分布式传感系统[7，8］.它基于区域分离技术的光脉冲相关测量。该系统采用由波长部分反射器或强度部分反射器连接的内联多监测光纤进行级联多区域测量。然后，利用光纤光栅(FBG)利用波长选择反射器(WSRs)进行波长扫描，或利用光纤连接器中的反射折射率间隙进行强度部分反射器(IPRs)时间位置扫描，该系统可以成功地检测到非常短的长度变化，在多个区域监测光纤的温度或应变测量。本文首先介绍了脉冲相关传感系统的原理、区域分离和识别技术。然后，我们将展示使用两个区域分离技术在没有串扰的两个不同区域测量的实验设置。之后，我们将讨论波长和强度分离的两种方法的比较及其应用。最后，我们将对所提出的技术作一些总结。

2.原则

2．1.光脉冲相关传感器

如图所示为带有监测光纤的光脉冲相关传感器的原理图1. 通过耦合器将光脉冲分为参考脉冲和监测脉冲。监测脉冲通过光循环器，然后进入光纤链路。之后，脉冲被反射镜反射并引导通过监测光纤和环行器，然后输入到光脉冲相关单元。参考脉冲连接到光相关单元的不同输入端口。有一个时间漂移由于参考脉冲和监测脉冲的传播路径不同，它们之间存在差异。当监测光纤的温度或应变发生变化时，由于监测光纤的长度膨胀和收缩，监测脉冲的传播路径会发生改变。因此，时间漂移的变化与监测光纤中温度和应变的变化成正比。

时间漂移由于光纤传感区域的环境变化可以通过光脉冲相关单元进行测量[3.- - - - - -6].如图所示2，在脉冲相关单元中，参考脉冲被分割成两个脉冲A和B，以固定的20 ps时间间隔ô进行正交极化。监测脉冲具有极化;因此，它与双参考脉冲(极化)相结合和)．这就产生了通道1、一对正向脉冲A和带有时间漂移的监控脉冲()，通道2，反向脉冲对B和时间漂移监测脉冲()．在每一个信道中，由SHG和APD模块观测来自参考脉冲和监测脉冲相关区域的二次谐波产生信号。SHG晶体从两个通道产生的非线性相关信号与它们相应的时间漂移成正比。因此，Ch1-Ch2的微分信号也与可使测量灵敏度成倍提高，并隔离了光脉冲源的功率影响。然而，该光脉冲相关传感器只能监测一个区域的温度或应变变化;由于需要多区域测量，因此在实际应用中受到限制。因此，采用了基于部分波长反射器和部分功率反射器的区域分离技术。

2．2．基于wsr的区域分离技术

基于脉冲相关技术的点温度传感器和多区域分布应变测量询问系统方案[7如图所示3.．光源是可以产生脉冲序列的波长可调激光器。脉冲重复频率由调制频率决定。脉冲序列耦合到两个不同的端口，分别命名为“参考端口”和“测量端口”。在测量端口中，脉冲通过一个光循环器，然后进入由波长选择反射器(WSRs)分隔的应变传感区级联。SSRs沿结构固定，监测结构中引起的应变变化。wsr从结构中自由释放。wsr作为点温度传感器，随着温度的变化而改变其共振。扫描脉冲源的波长可以询问温度点传感器，也可以监测不同的SSRs。本质上，WSR1中的脉冲，脉冲往返，一直到达SSR1区域，它只包含该区域应变变化的信息，而WSR2中的反射脉冲同时穿过SSR1和SSR2区域。利用来自WSR1和WSR2的反射信号，可以检索到SSR2的应变变化信息。这个方案可以很容易地升级为SSR地区。

反射的脉冲返回到脉冲相关器单元的一个输入端口。相关器单元的另一个输入由来自参考端口的脉冲提供。由于光路长度的不同，参考脉冲和测量脉冲到达的时间位置不同。在参考臂中放置一条可调谐延迟线，以允许两列脉冲的部分重叠。可调延迟线的可调范围必须至少为频率重复率倒数的一半。如果传感区域的应变发生变化，测量分支中的光路会在参考脉冲序列和测量脉冲序列之间产生时间漂移，两个序列脉冲之间的重叠能量也会发生变化。这种变化可由光脉冲相关单元监测。脉冲相关单元后采用差分检测技术。

典型的差分输出电压的关系如图所示3.．它与来自激光源的脉冲序列具有相同的速度。用于传感的差分输出电压曲线中最重要的区域在虚线椭圆内突出显示(图中的插入图形)3.).圆点表示中心位置（也称为“决策点”）为了实现最大偏移，并检测光纤压缩和伸长。必须指出的是，该区域的输出关系是线性的，这对于传感应用非常有用。每个SSR都会进行调整，使其初始值位于中心位置。这是通过调整可调延迟线来实现的每个区域响应。记录可调谐延迟线的初始值并用作参考。然后，施加的任何应变在输出电压值的变化中转换。

2．3.基于知识产权的区域分离技术

基于光脉冲相关测量和强度部分反射器(ipr)的可级联区域分布式传感器原理图[8如图所示4．知识产权是用金属薄片制作而成，并在光纤末端用磁控溅射法镀上金属金。由同步频率源调制的锁模激光二极管(ML-LD)产生一个短的光脉冲序列。通过耦合器将光脉冲序列分为参考脉冲(Ref.)和监测脉冲(Mon.)。监测脉冲通过循环器访问区域1和2的监测光纤(用于测量应变变化)。然后，监测脉冲分别被强度部分反射器1和2 (IPR1和IPR2)反射回来，成为两个区域监测脉冲M1和M2。(两个反射器之间有多次反射(来回)，由于第一反射器的反射率较低以及长传感光纤对光脉冲功率的吸收，反射器的反射衰减很快)。反射回来的脉冲M1和M2再次访问监测光纤，然后到达一个光脉冲相关单元的输入端口，而参考脉冲连接在另一个端口。

因此，M1只经过区域1，而M2同时经过区域1和2。利用光脉冲相关单元检测反射脉冲M1、M2与参考脉冲之间的时间漂移，可以得到1区和2区应变变化的信息。这个方案可以很容易地升级到该地区．因此，时间在部分反射镜反射的监测脉冲之间漂移(PR1 PR2,,公关)，其相邻参考脉冲为 在下标，表示PR1, PR2，打印,被调制信号的周期等于多少为反射监测脉冲与参考脉冲之间的差分传播长度，常量整数代表什么少于,为光延迟线器件的时间位置。方程(1)表明,正比于当其他参数保持不变时。因此，我们可以使用时间-位置扫描法来监测不同传感区域的温度和应变变化。如图5从图中可以看出，当时间延迟线器件在参考传播路径中移动时间位置时，参考脉冲的时间位置会发生变化，参考脉冲与监测脉冲之间的时间漂移也会发生变化，因此各通道的相关性也会发生变化。当差分相关值位于峰值点时，监测脉冲与参考脉冲完全重合。也就是说，差分相关的峰值点指示了每个区域的监测脉冲位置，如图所示5．因此，通过扫描参考脉冲的时间位置，我们可以检测到每个区域监测光纤长度的变化。

3.实验结果

３．１．使用wsr进行波长扫描

实验设置如图所示6. 锁模光纤激光器（ML-FL）已被用作激光源。激光源波长可调，其脉冲宽度可在10%之间调节 ps和20 在这个实验装置中，脉冲宽度为12.9 已使用ps，3.4 输出功率为dBm，频率为9.956104 GHz，这意味着100.4皮秒的脉冲重复率。为了将列车脉冲分为参考端口和测量端口，采用了一个90/10比的光学耦合器。

在参考端口，放置了一条可手动调整的延迟线。在另一个端口上，光循环器用于将脉冲路由到传感区域和相关单元。用两个光纤布拉格光栅(FBGs)作为wsr的演示。FBG 1和FBG 2的中心波长分别为1548.86 nm和1545.81 nm，半最大值全宽为0.26 nm，反射率均为80%。SSRs采用了长度分别为48.5 cm和54.8 cm的两根标准单模光纤。脉冲相关单元和双SH接收器(SHRs)连接到一个12位模数转换器(ADC)，以获得两个单通道的电压值。最后，将这些通道的输出微分信号存储在个人计算机中。利用光学光谱分析仪(OSA)，光纤光栅探测到温度变化。

通过对讯问系统的线性度、稳定性和分辨率的测试，对讯问系统进行了表征。在第一个实验中，激光源被调到1545.8 nm。然后，在0.1 mm台阶(54.8厘米长度的光纤为182.5微应变)中对SSR2施加一些应变，得到差分输出电压值。为了计算施加的应变，第一步是调整SSR2放松时的决策点(图中插图图实体曲线的中心点)3.)．然后，施加的应变(延伸或压缩)的任何变化都会在输出压差的变化中自动转换。结果如图所示7．可以看出，该传感器具有线性响应。每个应变测点的垂直误差棒显示了几十次循环后的最大偏差范围。测量的稳定性相当高，即使在最坏的情况下，也观察到小于0.2%的波动。

为了证明两个应变传感区域之间没有串扰，将激光光源调到1545.8 nm以选择wsr2。然后，在SSR2中施加一个应力。图的虚线8显示输出电压的变化。随后，将激光调至1548.9 nm，选择WSRS 1，并在同一传感区域(SSR2)施加类似的应力。没有检测到差分输出电压的变化(实线)，表明没有串扰。同时，通过OSA测量中心波长的偏移，可以检测到具有自由应变的FBG 1和FBG 2的温度。然后利用fbg测得的温度值对SSR 1&2进行校正。

３.２．使用时间-位置扫描与知识产权

我们使用了如图所示的实验设置9．对中心波长为1555 nm的锁模激光二极管(ML-LD)光脉冲源进行频率为20 GHz的调制。产生的脉冲宽度为8.7 ps，重复周期为50 ps。(监测光纤的脉冲宽度可扩展到10ps。)本研究采用两个局部反射器连接多区域监测光纤。连接两根600mm单模光纤，作为传感区域。然后通过数据采集设备进行相关性检测，采集设备的输出信号通过Labview软件上传到计算机接口。对于连接良好的光纤端，气隙小于脉冲源的波长，在这种情况下，每个IPR的典型反射率几乎等于1%。

为了证明该系统在实际多区域分布式变形测量中的适用性，首先进行了应变校准实验，在0.2 mm步长(333.3)中对区域1的600mm长纤维段进行变形并通过扫描光延迟线器件在参考传播路径中的时间位置来测量差分相关峰值点的时移。在0 ~ 4300范围内，相关峰移与应变的线性关系如图所示10．可以看出，该传感器具有线性响应。测量的稳定性相当高;测量中的波动小于1%。标定系数可计算为238/ps.系统的时间分辨率小于0.02 ps，因此系统的应变分辨率小于5 ．

然后在传感区1 (R1)和传感区2 (R2)进行多区域应变实验。为考察两个区域的应变测量，有四种情况下的敏感区域应力，包括情况1:R1和R2无应力，情况2:R1无应力，R2有应力，情况3:R1有应力，R2有应力;病例4:R1有应力，R2无应力。R1和R2的传感纤维根据病例1、2、3、4有秩序地施加、维持或释放应力。每个病例留置5分钟。实验结果如下图所示11．这四种不同的情况可以被正确地识别出来。对于实验数据的细节，案例1与案例2的对比如图左上方所示11．R1没有应力，R2从情况1到情况2施加应力。因此，R1的响应峰值保持在一个固定的时间位置，而R1 + R2的响应峰值向前移动。案例3和案例4的另一个比较也显示在图的右上角11．R1保持应力状态，R2从应力状态中释放。R1 + R2的响应峰值向后移动，R1没有移动。可以看出，多区域传感器可以在不产生串扰的情况下测量应变分布的变化。

4.讨论

4．1.时间分辨率和稳定性

实际的时间分辨率不受SHG晶体长度(脉冲走断)的限制，因为组合的双脉冲具有相同的波长[3.]。它受到峰值功率和监测脉冲色散的限制。倍频的相关时间分辨率小于0.02 ps[3.- - - - - -5］.另外，在与ipr的时间复用中，时间分辨率也受到光延迟线器件的时间分辨率的限制。光学延迟线由光束准直器、移动工作台和由OZ公司计算机控制的高精度步进电机组成，是ODL300，步长为0.005 ps，范围为0到350 ps。换句话说，光延迟线器件的时间分辨率非常高，达到0.005 ps。因此，两种系统的时间分辨率都可以达到0.02 ps。

根据脉冲源的时间抖动估计时间漂移稳定性。在这两个提议的系统中，锁模脉冲源的时间抖动非常低(小于1ps)。时间稳定性也与脉冲的偏振有关。在WSRs (FBGs)波长复用系统中，时间稳定性完全依赖于脉冲的偏振波动，因此在该系统中采用了偏振控制器[5］.在具有知识产权的时间复用系统中，时间稳定性与脉冲极化的波动是隔离的。由于该系统只检测光脉冲峰值点的时移，因此采用了偏振模色散(PMD)小、差分群延迟(DGD)小的标准单模光纤。此外，两种传感系统均采用了微分相关法。该方法可以完全隔离脉冲功率波动和部分隔离脉冲时间抖动波动。此外，时序稳定性关系到传输路径的稳定性。提出的两个系统都是基于脉冲相关测量的。系统的稳定性主要取决于参考脉冲和监测脉冲之间的差分传输路径。当传输光纤(传感区域的光纤除外)保持在温度和应变稳定的环境下时，传感系统可以保持很长时间的稳定。由于这些原因，两个系统的时序稳定性都小于1ps。

4．2．估计可级联区域的数目

对于WSRs (fbg)波长复用系统，最大可级联传感区域数目主要取决于脉冲源中的波长数目。关键是采用多波长锁模脉冲源。本实验采用波长可调的锁模光纤激光器。如果脉冲功率能被充分放大，最大的传感区域数目可以非常高。

对于具有知识产权的时间复用系统，可级联区域的数量是由脉冲源的重复频率、脉冲源的宽度和背反射光信号的检测灵敏度限制共同限制的。然后，通过如下方法将不同的情况进行分离，可以计算出可级联区域的最大数目。

案例1。级联区域的数量取决于光脉冲的重复周期和如图所示的脉宽反转12．采用20 GHz重复频率ML-LD(周期50 ps，脉宽10 ps)脉冲源时，可计算出级联区域数为(重复周期是10ns和吗d是脉冲宽度，2 ps）如表所示1．此外，光延迟线的最大范围为350 ps，远远大于20 GHz ML-LD脉冲源的周期(50 ps)。在本系统中，光延迟线的扫描范围只需50ps。

例2。级联区域的数量还取决于是否反射功率(i)多于，则反射回光信号的检测极限为(2)显示:

在本实验中，我们的反射光检测系统在脉冲宽度为10 ps时，检测灵敏度极限功率为0.01 mW，信噪比大于20 dB。这意味着是0.01 本研究中的mW。如图13显示，在每个区域的光纤端面，光脉冲部分反射和部分传输由于连接器中的气隙。对于连接良好的光纤端，气隙小于脉冲源的波长，在这种情况下典型的反射率几乎等于1%传输系数可以计算为T= 0.89，为典型光纤连接插入损耗(反射损耗除外)系数可以计算为0.9 [9］.循环器的插入损耗系数为从A港到B港因此，接收到的光脉冲从部分反射镜反射回来，，可以给予 在哪里为循环器的输入功率。然后，归一化光信号功率与光纤传感器数量的关系如图所示14．采用20ghz ML-LD脉冲电源时，输入功率为10.7 mW。根据(2)和(3.)，并结合上述数据，可计算出级联区域的数量为．

需要指出的是，根据表中两种情况下感知区域数量的最小值，可级联区域的数量估计为5个1显示时，使用20 GHz ML-LD。

为了获得更大数量的级联区域，一种方法是提高该传感系统的检测极限。额外的改进是使用不同的设计反射率来控制每个反射信号的功率等于检测极限(＝，)此外，为了通过使用脉冲压缩技术减小脉冲宽度并增加脉冲峰值功率，可以容易地升级感测区域的数量。为了正确操作传感系统，光学延迟线装置的动态延迟范围应大于脉冲重复周期。而为了满足每个用户的系统要求，重复频率灵活的脉冲源是理想的关键部件。

4．3．比较

该传感系统采用区域分离和识别技术，成功实现了多区域分布式应变传感。与其他光纤传感器如FBG传感器相比，区域分离脉冲相关传感系统有许多突出的优点。)它们可以为WSR提供分布式传感器和点传感器的混合智能传感组合。()他们可以使用可级联的标准单模光纤作为wsr的传感测量仪。（)他们可以提供实时测量，高分辨率和高速测量。（)位置分辨率不是很高，但广域监测不需要很高的空间分辨率;因此，它们可以应用于非常广泛的区域基础设施监控。这些传感器最重要的应用之一是所谓的光纤智能结构健康监测，其中多路光纤传感器嵌入到结构中，以监测其应变分布。

为了了解区域分离脉冲相关传感器的特性，将两种区域分离技术进行比较如下。wsr具有高分辨率和高速测量的优点，使其成为智能建筑等智能结构中短距离和高速光纤测量的理想选择。同时，知识产权具有成本低、传感面积大、测量速度慢等优点，适用于长距离、中等精度的测量场合，如大型建筑、长油气管道、供电电缆/线路等。然而，对热波动引起的应变误差进行温度补偿对于实际应用至关重要。

5.结论

我们成功地提出并演示了采用WSRs和IPRs两种区域分离技术进行多区域分布光纤应变测量的光脉冲相关传感系统。利用这些区域分离技术，传感器从可级联的选定传感区域测量参考脉冲和监测脉冲之间的相关性。该系统采用光纤光栅(FBG)或气隙连接的在线多监测光纤进行级联多区域测量。然后，通过WSRs (FBG)波长扫描或IPRs(气隙)时间位置扫描，系统可以成功检测多个区域监测光纤的长度变化进行应变测量。该系统可用于近距离、高精度、高速的分布式应变测量。该系统可用于长距离、大传感区域和低速分布应变测量。该传感系统采用WSRs和IPRs两种传感方式，可以对不同传感区域进行区域选择，获取不同传感区域的应变分布信息。

致谢

本课题是由2009-2010年实际应用研究项目(no.)资助。日本科学技术厅(JST)第1513号，科学研究补助金(B)，第1513号。日本科学促进协会(JSPS)的18360180，西班牙MICINN通过国家I + D TEC2007-68065-C03-01计划，以及欧盟通过成本行动299。

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