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摘要: 近年来，光纤布拉格光栅传感器与全分布式光纤传感器的融合技术受到了广泛关注，然而光纤布拉格光栅与布里渊信号之间的耦合特性鲜有报道。本文研究了光栅类型、波长、反射率及光纤的光致折射率对受激布里渊信号的影响规律，并探讨了空间分辨率对光纤布拉格光栅定位功能的影响。实验结果表明，在布里渊光时域分析系统中，光纤布拉格光栅处有尖锐的反射峰，而啁啾光栅、长周期光栅及光致折射率变化的光纤处均未出现尖锐的反射峰；光纤布拉格光栅反射率与受激布里渊散射功率谱无关；当光纤布拉格光栅的波长接近1 550 nm时，对受激布里渊频移测量的影响最大；在8 m的长度范围内，光纤布拉格光栅的定位误差约为4 cm，并且与空间分辨率无关。Abstract: Recently, the integration technique of fiber Bragg grating (FBG) sensors and distributed optical fiber sensors has attracted extensive attention. However, it is unknown about coupling properties between FBG and Brillouin signal. In this paper, we investigate the effects of optical grating types, wavelength and reflectivity and exposure-induced refractive index of optical fiber on stimulated Brillouin signal. Meanwhile, the influence of spatial resolution on positioning of FBG is discussed. Experimental results show that the sharp reflected peak from FBG occurs in the hybrid system of FBG sensor and Brillouin optical time-domain analysis (BOTDA), while no reflected peak occurs for chirped grating and long period grating, as well as exposure-induced refractive index of optical fibers. FBG reflectivity has no connection with power spectrum of simulated Brillouin scattering. It is also shown that when the wavelength of FBG is close to 1 550 nm, the influence on stimulated Brillouin signal is the largest. A positioning error of approximate 4 cm is obtained among a sensing range of 8 m, which is independent on the spatial resolution.
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1. 引言
全分布式光纤传感技术以其长距离(甚至可达上百千米)、无级连续测量的独特优势，越来越受到国内外学者和工程师的青睐[1-5]，尤其是基于布里渊散射的全分布式光纤传感技术(BOTDA/R)已经在结构健康监测领域受到了广泛关注[6-8]，其空间分辨率可以达到厘米甚至毫米级别[9-11]。同时，光纤布拉格光栅(FBG)传感技术具有高精度、可复用以及动态测量的独特优势[12-13]。因此，国内外学者将BOTDA/R与FBG结合，充分利用这两种技术的优势形成了BOTDA/R与FBG的混合系统[14-17]。例如J. Luo等人[14]将BOTDR与FBG结合，成功地实现了输电线结冰和拉力的监测；通过BOTDR与FBG组成的混合系统，文献[15]获得了20 km范围的应变分布情况和局部高精度应变状态；欧进萍等人[16]基于智能钢绞线开展了钢筋混凝土梁的预应力损失监测，并对比了FBG与BOTDA的测试效果；文献[13]利用FBG的动态监测优势与BOTDA构成了混合监测系统，该系统可以同时获取动态应变和分布式静态应变；李剑芝等人[18]将FBG作为位置指示器用于BOTDA测试系统的精确定位。尽管FBG传感器与全分布式光纤传感器的融合技术研究已经取得了很大进展，但目前研究人员仍不清楚FBG与布里渊信号间的耦合特性，这严重限制了FBG与BOTDA融合传感系统的应用。
因此，本文将探讨光栅类型、光纤布拉格光栅特性参数对受激布里渊信号的影响规律，同时研究了空间分辨率对光纤布拉格光栅定位效果的影响。
2. 实验
受激布里渊测试方法采用双端测试，将光纤的一端接应变分析仪的pump端，另一端接probe端，实验装置及示意图如图 1和图 2所示。当光纤上有光栅时，泵浦光经过光栅时发生反射，光栅的反射谱功率大于受激布里渊信号功率，因此可以在受激布里渊散射功率谱中观测到光栅的反射峰。本实验过程主要探索光栅与受激布里渊信号的耦合规律，分别进行了光栅种类、光致折射率变化与光栅特性参数(反射率和波长)对受激布里渊散射功率谱与频谱影响的实验，及不同空间分辨率下光栅定位精度的实验。
图 2 受激布里渊测试实验的光路系统Figure 2. Optical path system of simulated Brillouin test experiment采用的试验仪器为NEUBREX公司的NBX-6040A光纤应变分析仪，其最小空间分辨率为10 cm。在仪器空间分辨率对光栅定位精度影响的试验中，空间分辨率分别设置为10，20，50，100 cm，其他实验均采用10 cm的空间分辨率。采样速率设置为2×1015，采样点为5 cm，光纤折射率的设置值为1.46。
实验中采用长周期、啁啾和布拉格三种不同类型的光栅及具有光致折射率变化的光纤。长周期、啁啾和光纤布拉格光栅的性能参数如表 1所示，其光谱如图 3所示。同时，根据文献[19]可知，载氢光纤曝光后的折射率比未载氢光纤曝光后的折射率大，而且光纤折射率的改变随着曝光时间的延长而增大。如图 4所示，本文选取载氢和非载氢光纤作为测试样品，其曝光时间分别为10，30，60 s。
图 3 不同类型光栅的光谱。(a)长周期光栅的光谱；(b)光纤布拉格光栅和啁啾光栅的光谱Figure 3. Spectra of different kinds of gratings. (a) Spectrum of long period grating; (b) Spectrum of FBG and chirped grating
图 4 曝光致折射率改变光纤测试样品Figure 4. Test samples of optical fiber with different refractive index induced by exposure表 1 不同类型光栅的性能参数Table 1. Characteristic parameters of different kinds of gratingsGrating Parameter Location of
the gate/mFiber length/m Wavelength/nm Refractive index/% Bandwidth/nm Long period grating 1 538.49 99 4.39 2.5 3.1 Chirped grating 1 545.12 99 1.24 2.4 4.07 FBG 1 545.13 90 0.24 1.72 4.1 在光栅反射率和波长对受激布里渊散射(SBS)功率谱的影响实验中，将实验样品分为3组，他们的性能参数如表 2所示。通过对第3组样品施加拉力来改变光栅波长的方式，研究了应变状态下光栅波长的变化对布里渊信号的影响。将光栅置于应变区域，通过微米级滑动平台对其施加拉力，同时用SM125光栅解调仪精确跟踪光栅波长的变化。拉伸光纤的长度为1 m，其两端分别粘在承托板上，一端固定，另一端通过微米级滑台进行位移加载，光纤的一端接入BOTDA的probe端，另一端通过耦合器分别接BOTDA的pump端和光栅解调仪，实验装置示意图如图 5所示。
图 5 光栅特性参数对受激布里渊散射功率谱影响的实验装置示意图Figure 5. Schematic diagram of experimental setup for measuring the influence of grating characteristic parameters on stimulated Brillouin scatting power spectrum表 2 光纤布拉格光栅特性参数对受激布里渊信号影响的实验中光纤布拉格光栅的性能参数Table 2. Characteristic parameters of FBG in the experiment shown in Figure 5Parameter Group 1 Group 2 Group 3 FBG 1 FBG 2 FBG 3 FBG 1 FBG 2 FBG 3 Wavelength/nm 1 510
1 530
1 5451 510
1 530
1 5451 510
1 530
1 5451 530
1 530
1 5301 530
1 530
1 5301 530
1 530
1 5301 549.8 Refractive index/% 34.08
34.68
33.1660.37
61.98
62.6790.73
89.88
90.5333.16
34.53
34.6861.452
58.98
61.54189.16
91.15
91.1596.34 Bandwidth/nm 0.17
0.18
0.170.23
0.23
0.240.18
0.17
0.180.15
0.15
0.160.20
0.20
0.180.27
0.27
0.260.21 空间分辨率对光纤布拉格光栅定位影响的试验材料选取由3个光纤布拉格光栅组成的光纤光栅串，所采用光纤布拉格光栅的性能参数如表 3所示。
表 3 空间分辨率对光纤布拉格光栅定位影响试验中光纤布拉格光栅的性能参数Table 3. Characteristic parameters of FBG in the experiment of spatial resolution influence on FBG positioningNo. Parameter Wavelength/
nmRefractive
index /%Bandwidth/
nmSpacing/m FBG 1 1 545.18 90.39 0.24 FBG 2 1 555.15 90.81 0.25 7.98 FBG 3 1 560.19 89.86 0.27 8.02 3. 结果与讨论
3.1 光栅类型及曝光致光纤折射率变化对受激布里渊信号的影响
图 6是不同类型光栅的受激布里渊散射功率谱图。可见，光纤布拉格光栅、长周期光栅及啁啾光栅与受激布里渊信号的耦合效果具有明显差异。长周期光栅和啁啾光栅在受激布里渊散射谱图中均未出现较明显的反射峰，而光纤布拉格光栅的反射谱图比较尖锐，可以清楚地确定光栅的具体位置。分析认为，长周期光栅处未出现反射峰且能量下降的主要原因是，长周期光栅将特定波长的光波散射到包层，从而引起了能量衰减。光纤布拉格光栅的布里渊功率谱中出现了尖锐的反射峰，这是由于光纤布拉格光栅将特定波长的光波耦合到纤芯模中，发生了布里渊散射光和光纤光栅反射光的耦合叠加。
图 6 不同类型光栅的受激布里渊散射功率谱Figure 6. Power spectra of stimulated Brillouin scattering of different types of gratings图 7不同曝光时间处理的载氢光纤的布里渊散射功率谱图。可见，布里渊散射谱的光功率接近于水平直线，说明曝光处未出现反射峰。因此，光纤折射率的变化对受激布里渊信号几乎没有影响。
图 7 不同曝光时间处理的载氢光纤受激布里渊散射功率谱Figure 7. Power spectra of stimulated Brillouin scattering of hydrogen loaded optical fiber with different exposure time3.2 光纤布拉格光栅反射率、波长对布里渊信号的影响
图 8为第2组不同反射率光纤布拉格光栅的受激布里渊散射功率谱，其中(a)为三个光纤光栅串的受激布里渊散射功率谱，(b)、(c)、(d)分别为图(a)中光栅处的受激布里渊散射功率谱的放大图。反射峰并未随着光栅反射率的不同而呈现一定的变化规律，说明光纤光栅反射率对受激布里渊散射信号的影响不大。
图 8 反射率不同的光纤布拉格光栅的受激布里渊散射功率谱。(a)三个光纤样品的受激布里渊功率谱；(b)FBG1的受激布里渊功率谱；(c)FBG2的受激布里渊功率谱图；(d)FBG3的受激布里渊功率谱图Figure 8. Power spectra of stimulated Brillouin scattering of FBG with different reflectivities. (a) Power spectra of stimulated Brillouin scattering of three fiber specimens; (b) Power spectra of stimulated Brillouin scattering for FBG1; (c) Power spectra of stimulated Brillouin scattering for FBG2; (d) Power spectra of stimulated Brillouin scattering for FBG3图 9是不同拉伸状态下光纤布拉格光栅及其附近光纤的受激布里渊散射功率谱。可见，随着波长增加，受激布里渊散射功率谱的峰值几乎不变，说明波长是否接近于1 550 nm对光栅的定位是没有影响的。
图 9 波长不同的光纤布拉格光栅的受激布里渊散射信号功率谱Figure 9. Power spectra of stimulated Brillouin scattering of FBG with different wavelengths如图 10所示，随着应变增大，处于应变区域的光栅栅区附近出现了波谷，且波长越接近于1 550 nm，栅区附近的布里渊频移信号的波谷开口越大。此时，光纤光栅附近的布里渊频移的剧烈波动会影响该区域的应变测量。因此，在工程实际应用中，应尽量将光栅布置在不受应变影响的区段，以避免对光栅附近区域分布式应变测量的影响。
图 10 不同波长的光纤布拉格光栅的布里渊频移图Figure 10. Brillouin frequency shift of FBG with different wavelengths3.3 空间分辨率对光纤布拉格光栅定位的影响
图 11是不同空间分辨率下的受激布里渊散射功率谱。可见，随着空间分辨率增大，光纤布拉格光栅处的反射谱逐渐展宽且能量下降。10 cm和20 cm空间分辨率下的反射峰比较尖锐，而50 cm和100 cm空间分辨率下的反射谱展宽明显。表 4分析了不同空间分辨率下光栅的具体位置和定位误差。在8 m测试长度范围内和10，20，50 cm的空间分辨下，光栅定位误差维持在4 cm以内；当空间分辨率达到100 cm时，定位误差较大。以上数据是根据图 11得到的，在50 cm和100 cm的空间分辨率下，光栅处的反射谱展宽，通过读数不易确定光栅的精确位置。因此，当仪器的空间分辨率设置为50 cm和100 cm时，光栅不再适用于高精度定位。
图 11 不同空间分辨率下光纤布拉格光栅的受激布里渊散射功率谱Figure 11. Power spectra of stimulated Brillouin scattering of FBG at different spatial resolutions表 4 不同空间分辨率下光纤布拉格光栅的空间位置及定位误差Table 4. Spatial location and positioning error of FBG at different spatial resolutionsSpatial resolution/cm Spatial location/m Positioning error/cm FBG1 FBG2 FBG3 FBG1-FBG2 FBG2-FBG3 10 8.059 16.068 24.127 3.8 3.9 20 8.059 16.068 24.127 3.8 3.9 50 8.008 16.016 24.076 2.8 4 100 7.751 15.811 23.870 8 3.9 4. 结论
本文研究了光纤光栅类型、光栅特性参数以及BOTDA测试空间分辨率对受激布里渊信号功率谱和频谱的影响规律。在布里渊光时域分析系统中，与啁啾光栅和长周期光栅相比，布拉格光栅具有尖锐的反射峰事件，适合作为定位指示工具；而光致折射率变化时，光纤不会产生光时域反射事件。高精度应变分析仪的空间分辨率小于20 cm时，光栅具有较高的空间定位精度；随着系统的空间分辨率增大，光栅反射谱带宽会展宽，导致定位精度下降。光栅反射率与受激布里渊功率谱无明显的相关性，且对光栅定位几乎没有影响。处于拉应力状态的光栅，当波长接近1 550 nm时，会对栅区附近光纤的布里渊频移信号产生较大影响，进而影响栅区附近应变的测量，因此，在分布式应变测量系统中用于定位的光栅应尽可能地布设在非应变区。
综上所述，光纤布拉格光栅适合作为全分布式光纤传感中的定位指示器，并且值得进一步深入研究。
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图 2 受激布里渊测试实验的光路系统
Figure 2. Optical path system of simulated Brillouin test experiment
图 3 不同类型光栅的光谱。(a)长周期光栅的光谱；(b)光纤布拉格光栅和啁啾光栅的光谱
Figure 3. Spectra of different kinds of gratings. (a) Spectrum of long period grating; (b) Spectrum of FBG and chirped grating
图 4 曝光致折射率改变光纤测试样品
Figure 4. Test samples of optical fiber with different refractive index induced by exposure
图 5 光栅特性参数对受激布里渊散射功率谱影响的实验装置示意图
Figure 5. Schematic diagram of experimental setup for measuring the influence of grating characteristic parameters on stimulated Brillouin scatting power spectrum
图 6 不同类型光栅的受激布里渊散射功率谱
Figure 6. Power spectra of stimulated Brillouin scattering of different types of gratings
图 7 不同曝光时间处理的载氢光纤受激布里渊散射功率谱
Figure 7. Power spectra of stimulated Brillouin scattering of hydrogen loaded optical fiber with different exposure time
图 8 反射率不同的光纤布拉格光栅的受激布里渊散射功率谱。(a)三个光纤样品的受激布里渊功率谱；(b)FBG1的受激布里渊功率谱；(c)FBG2的受激布里渊功率谱图；(d)FBG3的受激布里渊功率谱图
Figure 8. Power spectra of stimulated Brillouin scattering of FBG with different reflectivities. (a) Power spectra of stimulated Brillouin scattering of three fiber specimens; (b) Power spectra of stimulated Brillouin scattering for FBG1; (c) Power spectra of stimulated Brillouin scattering for FBG2; (d) Power spectra of stimulated Brillouin scattering for FBG3
图 9 波长不同的光纤布拉格光栅的受激布里渊散射信号功率谱
Figure 9. Power spectra of stimulated Brillouin scattering of FBG with different wavelengths
图 10 不同波长的光纤布拉格光栅的布里渊频移图
Figure 10. Brillouin frequency shift of FBG with different wavelengths
图 11 不同空间分辨率下光纤布拉格光栅的受激布里渊散射功率谱
Figure 11. Power spectra of stimulated Brillouin scattering of FBG at different spatial resolutions
表 1 不同类型光栅的性能参数
Table 1. Characteristic parameters of different kinds of gratings
Grating Parameter Location of
the gate/mFiber length/m Wavelength/nm Refractive index/% Bandwidth/nm Long period grating 1 538.49 99 4.39 2.5 3.1 Chirped grating 1 545.12 99 1.24 2.4 4.07 FBG 1 545.13 90 0.24 1.72 4.1 
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表 2 光纤布拉格光栅特性参数对受激布里渊信号影响的实验中光纤布拉格光栅的性能参数
Table 2. Characteristic parameters of FBG in the experiment shown in Figure 5
Parameter Group 1 Group 2 Group 3 FBG 1 FBG 2 FBG 3 FBG 1 FBG 2 FBG 3 Wavelength/nm 1 510
1 530
1 5451 510
1 530
1 5451 510
1 530
1 5451 530
1 530
1 5301 530
1 530
1 5301 530
1 530
1 5301 549.8 Refractive index/% 34.08
34.68
33.1660.37
61.98
62.6790.73
89.88
90.5333.16
34.53
34.6861.452
58.98
61.54189.16
91.15
91.1596.34 Bandwidth/nm 0.17
0.18
0.170.23
0.23
0.240.18
0.17
0.180.15
0.15
0.160.20
0.20
0.180.27
0.27
0.260.21
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表 3 空间分辨率对光纤布拉格光栅定位影响试验中光纤布拉格光栅的性能参数
Table 3. Characteristic parameters of FBG in the experiment of spatial resolution influence on FBG positioning
No. Parameter Wavelength/
nmRefractive
index /%Bandwidth/
nmSpacing/m FBG 1 1 545.18 90.39 0.24 FBG 2 1 555.15 90.81 0.25 7.98 FBG 3 1 560.19 89.86 0.27 8.02
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表 4 不同空间分辨率下光纤布拉格光栅的空间位置及定位误差
Table 4. Spatial location and positioning error of FBG at different spatial resolutions
Spatial resolution/cm Spatial location/m Positioning error/cm FBG1 FBG2 FBG3 FBG1-FBG2 FBG2-FBG3 10 8.059 16.068 24.127 3.8 3.9 20 8.059 16.068 24.127 3.8 3.9 50 8.008 16.016 24.076 2.8 4 100 7.751 15.811 23.870 8 3.9
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