超低溫環(huán)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(shù)研究院； 2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所； 3.航天東方紅衛(wèi)星有限公司：北京 100094）

0 引言

分布式傳感技術(shù)[1-3]采用高絕緣、化學(xué)性能穩(wěn)定的光纖作為傳感元件，可在保證安全性的前提下實(shí)現(xiàn)長距離連續(xù)檢測，同時避免點(diǎn)式傳感技術(shù)中傳感器數(shù)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(shù)之一，最初由Horiguchi 等[4]提出，通過準(zhǔn)確測量提取布里淵頻移解耦獲得光纖周圍環(huán)境的分布式溫度和應(yīng)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(xù)信號光，當(dāng)泵浦光的強(qiáng)度高于受激布里淵散射的閾值時產(chǎn)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(yīng)變ε與光纖的物理特性（折射率、泊松比、楊氏模量和介質(zhì)密度）之間存在對應(yīng)關(guān)系，即與光纖的BFS 之間存在對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)Parker等[8]的研究，溫度和應(yīng)變與BFS 之間存在強(qiáng)線性關(guān)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(yīng)變。

大部分國產(chǎn)及進(jìn)口的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的工作環(huán)境溫度范圍不超過-75～100 ℃，例如康寧SMF-28e+光纖的正常工作環(huán)境溫度范圍為-60～85 ℃，在超低溫或溫差較大的環(huán)境中光纖的微彎損耗將急劇加大，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致傳感器失靈。目前，國內(nèi)對低溫分布式布里淵傳感系統(tǒng)的研究還較少，已有傳感系統(tǒng)的測試溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足航空航天領(lǐng)域的超低溫應(yīng)用需求[9-11]。2013 年，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的黃文發(fā)等[12]研究了溫度對受激布里淵散射閾值的影響，結(jié)果為溫度越低閾值越高；2015 年，中交第一公路勘察設(shè)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(shí)驗(yàn)溫度為-3～-5 ℃。

本文針對空間環(huán)境特點(diǎn)設(shè)計了冷熱沖擊和浸泡實(shí)驗(yàn)來研究2 種典型標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的熱穩(wěn)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(biāo)定光纖的溫度系數(shù)；通過自行設(shè)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(biāo)定了光纖的應(yīng)變系數(shù)；對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，以確定BOTDA技術(shù)是否可應(yīng)用于超低溫環(huán)境下溫度和應(yīng)變測量。

1 實(shí)驗(yàn)材料及裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（見圖1）中選用的光纖為G.652D 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，可用波段范圍寬，可靈活應(yīng)用于各種測量系統(tǒng)中，是目前國內(nèi)應(yīng)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(shù)。實(shí)驗(yàn)中所用的光纖為：光纖1涂覆層外無緊護(hù)套（以下簡稱裸纖）；光纖2 是在光纖1 的基礎(chǔ)上直接二次套PVC 塑料的緊套光纖（以下簡稱緊套纖）。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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(diào)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(jìn)行冷熱沖擊和浸泡實(shí)驗(yàn)。液氮容器下的藍(lán)色隔溫墊是用來防止實(shí)驗(yàn)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(shù)標(biāo)定裝置

溫度系數(shù)標(biāo)定裝置如圖3 所示，包括BOTDA解調(diào)儀和控溫精度為0.1 ℃的高低溫實(shí)驗(yàn)箱。將裸纖和緊套纖用熔接機(jī)連接起來整盤放置于高低溫箱中，2 個跳線端從箱體左側(cè)的引線孔穿出接入BOTDA 解調(diào)儀。為確保光纖的溫度與箱內(nèi)溫度完全一致，在箱內(nèi)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度10 min 后再進(jìn)行測量。測溫范圍為-25～25 ℃，溫度間隔為5 ℃。實(shí)驗(yàn)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(shù)標(biāo)定裝置Fig.3 BFS temperature coefficient calibration device for optical fibers

1.3 應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定裝置

應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定裝置如圖4 所示，包括BOTDA解調(diào)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(jī)。將溫控儀的加熱線均勻纏繞于拉伸臺的1 m 長的細(xì)鋼管上，光纖的一端穿過細(xì)鋼管后與另一端同時接入BOTDA 解調(diào)儀。通過溫控儀和拉伸臺調(diào)整FUT 的溫度和應(yīng)變，實(shí)際溫度和應(yīng)變可通過溫控儀的顯示器和與激光測距儀配對的上位機(jī)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(yīng)變。

圖4 光纖的布里淵頻移應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定裝置Fig.4 BFS strain coefficient calibration device for optical fibers

2 結(jié)果分析與討論

2.1 光纖的低溫布里淵頻移特性

本實(shí)驗(yàn)的超低溫環(huán)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，液氮的增減采用從容器側(cè)邊緩緩注入和自然揮發(fā)的方式。冷熱沖擊實(shí)驗(yàn)使光纖在液氮（-196 ℃）和室溫（25 ℃）環(huán)境間反復(fù)切換，浸泡實(shí)驗(yàn)使光纖在液氮中完全浸泡5 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 冷熱沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Thermal shock test results

圖6 浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Immersion test results

圖5(a)給出了受試光纖進(jìn)行冷熱沖擊實(shí)驗(yàn)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(jīng)歷2 輪液氮浸泡（常溫→超低溫）、液氮揮發(fā)（超低溫→常溫）的環(huán)境溫度交替沖擊后，2 種光纖的光學(xué)性能未下降，也未產(chǎn)生不可逆損傷。裸纖在室溫和-196 ℃環(huán)境中對應(yīng)的BFS 分別為10.846 8 GHz 和10.608 0 GHz，每℃對應(yīng)的頻移為1.08 MHz；緊套纖在室溫和-196 ℃環(huán)境中對應(yīng)的BFS 分別為10.824 6 GHz 和10.311 3 GHz，每℃對應(yīng)的頻移為2.32 MHz。2 種光纖之間的差異是由緊護(hù)套的熱脹冷縮引起的。冷熱沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光纖在-196 ℃低溫環(huán)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(shí)驗(yàn)前相比沒有變化，表明這2 種光纖具備低溫測量的可重復(fù)性。

對比可見圖6(a)與圖5(a)的結(jié)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(shí)驗(yàn)中的BFS 與其在冷熱沖擊實(shí)驗(yàn)中的BFS 一致，且不隨著浸泡時間的延長而發(fā)生變化，說明長期超低溫環(huán)境不會改變光纖的布里淵頻移特性，BFS 值只與環(huán)境溫度有關(guān)。浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這2 種光纖具有優(yōu)良的耐寒性和熱穩(wěn)定性。

2.2 溫度系數(shù)標(biāo)定

BOTDA 系統(tǒng)中，BFS 與溫度成線性關(guān)系[8]；獲得不同溫度下光纖的BFS，通過最小二乘法進(jìn)行線性擬合的直線斜率即為光纖的溫度系數(shù)。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(yīng)遲滯；反之，則表示BFS 存在遲滯效應(yīng)。

圖7 為裸纖的標(biāo)定結(jié)果，紅色曲線代表溫度上升，藍(lán)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(shù)相等，均為1.16 MHz/℃，不存在遲滯效應(yīng)。圖8 為緊套纖的標(biāo)定結(jié)果，同樣地，紅色和藍(lán)色曲線分別對應(yīng)溫度上升和下降，可以看到緊套纖的遲滯效應(yīng)較明顯，溫度上升時的溫度系數(shù)為2.73 MHz/℃，下降時的溫度系數(shù)為2.61 MHz/℃。推測其原因是光纖溫度未完全達(dá)到設(shè)定溫度所致——在溫度下降過程中光纖溫度高于設(shè)定溫度，而溫度上升過程中光纖溫度低于設(shè)定溫度；且緊套纖還疊加了緊護(hù)套熱脹冷縮及光纖盤上預(yù)應(yīng)力的影響。

圖7 裸纖溫度系數(shù)標(biāo)定結(jié)果Fig.7 Temperature coefficient calibration results of bare fibers

圖8 緊套纖溫度系數(shù)標(biāo)定結(jié)果Fig.8 Temperature coefficient calibration results of tight sleeve fibers

2.3 應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定

BFS 與光纖的應(yīng)變成線性關(guān)系[8]：當(dāng)應(yīng)變?yōu)? 時，BFS 只與溫度有關(guān)；當(dāng)應(yīng)變不為0 時，BFS 由溫度和應(yīng)變共同決定。本部分實(shí)驗(yàn)探究光纖在不同溫度下的應(yīng)變系數(shù)是否相同、是否存在遲滯效應(yīng)。而標(biāo)定光纖的應(yīng)變系數(shù)須先準(zhǔn)確找到其應(yīng)變?yōu)?的臨界點(diǎn)——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(dāng)BFS 發(fā)生變化時認(rèn)為光纖處于應(yīng)變?yōu)? 的臨界點(diǎn)。應(yīng)變ε和形變ΔL的關(guān)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(jìn)行線性擬合的直線斜率即為光纖的應(yīng)變系數(shù)。

圖9 與圖10 分別為裸纖和緊套纖的應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定結(jié)果，藍(lán)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?？梢钥闯觯涸跍囟纫欢ǖ那闆r下，形變量越大，BFS 越大；BFS 與形變成明顯的線性關(guān)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(guān)，不存在遲滯效應(yīng)。經(jīng)標(biāo)定，裸纖的平均應(yīng)變系數(shù)為0.023 7 MHz/με，緊套纖的平均應(yīng)變系數(shù)為0.028 9 MHz/με。

圖9 裸纖應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定結(jié)果Fig.9 Strain coefficient calibration results of bare fibers

圖10 緊套纖應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定結(jié)果Fig.10 Strain coefficient calibration results of tight sleeve fibers

3 結(jié)束語

本文通過冷熱沖擊和浸泡實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了BOTDA在-196 ℃的超低溫環(huán)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(huán)境中具備熱穩(wěn)定性。此外，標(biāo)定了這2 種光纖的溫度系數(shù)和應(yīng)變系數(shù)，結(jié)果顯示：緊套纖的溫度系數(shù)高于裸纖的溫度系數(shù)，說明緊套纖對溫度變化更加敏感；緊套纖的應(yīng)變系數(shù)高于裸纖的應(yīng)變系數(shù)，說明緊套纖對應(yīng)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(jī)械性能優(yōu)于裸纖，且沒有出現(xiàn)緊護(hù)套和纖芯錯位現(xiàn)象，表明其更適用于復(fù)雜、惡劣環(huán)境的溫度和應(yīng)變測量。