新型传感光纤光传输与折射率敏感特性研究

新型传感光纤光传输与折射率敏感特性研究

徐丁钦  高帆

吉林吉大通信设计院股份有限公司武汉分公司   湖北武汉  430000

摘要：科学技术的发展，我国的传感光纤光传输技术有了很大进展，分布式光纤传感技术（DOFS）作为大型基础设施健康状态实时监测最有潜力的技术，近年来得到了迅速发展。本文就新型传感光纤光传输与折射率敏感特性进行研究，以供参考。

关键词：传感光纤；倏逝波；光传输；折射率；灵敏度

引言

光纤传感器通过集成光学干涉仪可大幅度提高位移分辨率，可用于皮米量级的静态位移测量以及微小振动测量。光纤声波传感器将声波振动转换为干涉仪光程差的变化，可将其用于光声光谱系统中的微弱光声信号探测，实现痕量气体的高灵敏度全光传感。

1传感结构与理论分析

不同于一般的基于ＭＭＩ的光纤传感器依赖倏逝波实现对折射率测量，基于大偏置开腔的ＭＺＩ通过ＭＭＦ将入射光束分为两部分，其中一部分直接与外部介质接触，实现高灵敏感的外部折射率的测量。通过将ＭＭＦ和ＮＣＦ依次级联形成多模－无芯－多模－无芯－多模的结构，其中两段ＮＣＦ是错位熔接。单模光纤（ｓｉｎｇｌｅ　ｍｏｄｅ　ｆｉｂｅｒ，ＳＭＦ）中传输的光进入ＭＭＦ时，由于纤芯不匹配，传输光会被ＭＭＦ扩散，当进入错位偏置熔接的ＮＣＦ时，一部分光耦合到外部腔中传播，在中间段ＭＭＦ位置与在ＮＣＦ中传播的光形成干涉。同理，在通过下一段偏置ＮＣＦ时会重新分束并再次耦合进入ＭＭＦ，因此整个传输过程中会形成两次干涉。

2分布式光纤传感技术

（1）背向散射型分布式光纤传感技术。由于光纤对光波的约束，光纤中的散射光只表现为前向和背向两个传播方向。光纤周围的环境扰动会引起光纤纤芯参数如光纤长度、直径、折射率等的变化，而这些参数又会调制散射光，导致散射光强度、相位、频率等的改变。通过沿光纤对散射光信号进行空间解调，就能够监测沿光纤等间距分布的区块周围环境的扰动，从而有效地替代数以万计的点式传感器（POFS）。因此，相比于POFS，DOFS可用于揭示结构的全局变化，而不是根据几个点的测量值进行推断。光纤中的背向散射光（RBS）主要包括瑞利散射、布里渊散射以及拉曼散射三种。按对信号测量方式的不同，DOFS技术分为光频域技术和光时域技术两大类。光频域技术一般具有较高的空间分辨，但是测量过程复杂，传感距离有限。而光时域技术实现简单，具有长距离和高精度的特点。基于RBS的DOFS主要包括：基于瑞利散射的光时域反射计（OTDR）、相干光时域反射计（C-OTDR）、相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR）和光频域反射计（OFDR）；基于拉曼散射的拉曼光时域反射仪（ROTDR）；基于布里渊散射的布里渊光时域反射仪（BOTDR）和基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析仪（BOTDA）。（2）干涉型分布式光纤传感技术。与后向散射光干涉型的DOFS系统相比，前向光干涉型DOFS系统直接利用前向传输光作为信号光进行传感。因此信号在传输过程中的损失较小，更容易实现长距离范围内的传感。除此之外，前向光干涉型系统还具有结构简单、动态范围大和频率响应带宽大等优点，可以实现无中继放大的大范围传感。同时，前向光干涉型系统多使用连续激光光源，更适用于对整根传感光纤携带的传感信息进行解调。

3传感测试

3．1无源传感测试

通过甘油与纯净水配制了不同ＲI的多种溶液。FBG与外部ＲI变化无关，但凹锥随溶液的ＲI增加，凹锥区域的倏逝波效应增强，光能量损失加剧，光谱中心波长的强度持续下降。无源系统中，锥径为30．53μm的Taper-FBG结构，在1．333～1．373ＲIU的范围内强度下降约4．165dB。对应的ＲI灵敏度为－98．386dB/ＲIU，具有接近Ｒ2为0．990的高线性一致度。进而，将Taper-FBG结构置于恒温水槽中加热(LICHEN，202-00T，精度±0．5℃)。其温度响应特性在30．0～43．5℃范围内，FBG反射光谱展示为红移特性(～0．154nm)。FBG的温度灵敏度为12．24pm/℃，强度起伏为±0．269dB。

3.2用于静态变量分离的瑞利散射与布里渊散射

融合系统除了上述用于动态、静态变量测量相结合的融合系统之外，由于瑞利散射和布里渊散射的频移对温度和应变的线性系数不同，研究人员考虑将二者结合，以解决单种散射机制中存在的温度/应变交叉敏感问题由于探测到的瑞利散射光和布里渊散射光的频率偏移均对温度和应变敏感，且具有不同的线性系数，因此只要联立多组独立的频移-应变/温度表达式，即可分离应变和温度变化。但该方案只是使两套独立的系统（TW-COTDR与BOTDA）分别工作在不同波长下，使用不同波长的探测光对同一待测光纤进行测量，系统的融合度并不高。除了使用扫频方案，散射信号的强度也可用于温度应变分离的解调。

3.3光纤光声传感系统

FPGA通过数模转换器（Digital-to-analog Converter，DAC）控制2个DFB激光器的调制频率、偏置电流和调制深度等工作参数。2个不同波长的近红外激光通过波分复用器（Wavelength pision Multiplexer，WDM）耦合后入射到光声池中，实现对C2H2和CH4的双组分气体激发。采用中心波长为1550nm的超发光二极管（Super luminescent Diode，SLD）作为探测光源，发射的宽谱光经过光纤环形器后进入声波传感器，包含光声信息的F-P干涉光谱由分辨率约为0.18nm的微型光纤光谱模块（I-MON-256-OEM，IBSEN）探测，光谱模块主要由光谱分析组件、图像传感器和信号采集单元组成。透射型体相位光栅作为分光元件，256像素的近红外线阵探测器作为图像传感器，这种无机械移动部件的结构设计可以实现高速光谱信号采集。设计的FPGA信号处理电路对F-P干涉谱进行高速采集和实时处理，在FPGA中进行频谱归一化、插值、FFT和频率估计等一系列数字信号处理。通过优化FPGA电路，实现了20kHz频率的帧速采集和信号处理，根据奈奎斯特采样定理，解调仪的最高声波探测频率为10kHz。对解调后的光声信号进行实时锁相放大处理，进一步提高信噪比。在FPGA中生成两个正交参考信号，其频率是激光调制频率的整数倍，可以测量光声信号中的各次谐波分量。积分时间可以通过改变互相关计算中数据点的数量来调整，FPGA锁相放大模块中还具有频率扫描功能，便于测量光声系统的频率响应。

结语

随着大规模传感监测需求的不断增加，研究者们提出了越来越多的融合型分布式光纤传感系统，使得传感效果不断提升。未来应重点在器件复用度、传感性能及与数据处理和实际应用的结合等方面研究融合型分布式光纤传感系统。融合型分布式光纤传感系统的天然优势之一是对不同原理传感系统中器件的复用，可以在实现多种传感功能的情况下，显著降低系统的成本。研究创新的方案设计以及新型的光电信号分离器件，使融合系统尽可能复用更多的器件，并无损地分离多种不同散射光产生的信号，是体现融合型分布式光纤传感系统优势的关键问题。

参考文献

［1］王娟．基于SNS结构的光纤激光折射率传感器的研究［D］．天津:天津工业大学，2018:37－44．

［2］董航宇，孙四梅，江超，等．基于单模光纤拉锥构成的光纤折射率传感器［J］．激光杂志，2019，40(6):37－40．

［3］廖光萌，何建新，朱玉琴，等．光纤光栅传感器及其应用［J］．装备环境工程，2022，19(11):142－149．