1、超低温环境下光纤布里渊频移特性研究超低温环境下光纤布里渊频移特性研究刘桔阳1，张杨1，侯广厦1，廖韬2，高涵3（1.中国空间技术研究院；2.北京卫星环境工程研究所；3.航天东方红卫星有限公司：北京100094）摘要：针对高温差和超低温广泛存在的空间环境，了解航天器材料及结构的热应变稳定性对于保障航天环境模拟地面试验的可靠性具有重要意义。布里渊光时域分析（BOTDA）技术能够同时检测温度和应变，且具有高精度、长传感距离、抗电磁干扰及低成本等优势，但作为传感元件的光纤能否适应空间冷黑环境还未可知。文章首先利用 BOTDA 解调仪获取了 2 种典型标准单模光纤在超低温下的布里渊增益谱（BGS），然后
2、通过实验数据分析光纤的超低温性能，最终标定了 2 种光纤的温度和应变系数。结果表明，受试光纤在超低温下仍能形成洛伦兹形状的 BGS，且实际频移量与低温对应的理论频移量一致，满足超低温空间环境下 BOTDA 传感器的测温范围要求。关键词：布里渊光时域分析；低温性能；温度系数；应变系数；迟滞效应；光纤中图分类号：TP212.4+4文献标志码：A文章编号：1673-1379(2023)01-0049-06DOI:10.12126/see.2022057Investigation on Brillouin frequency shift characteristics ofoptical fiber
3、under ultra-low temperatureLIUJuyang1,ZHANGYang1,HOUGuangsha1,LIAOTao2,GAOHan3(1.ChinaAcademyofSpaceTechnology;2.BeijingInstituteofSpacecraftEnvironmentEngineering;3.DFHSatelliteCo.,Ltd.:Beijing100094,China)Abstract:Aimingatthespaceenvironmentwithwidespreadhightemperaturedifferenceandultra-lowtemper
4、ature,itisimportanttounderstandthethermalstrainstabilityofspacecraftmaterialsandstructuresforensuring the reliability of simulated ground-based space environmental tests.Brillouin optical time domainanalysis(BOTDA)technologycansimultaneouslydetecttemperatureandstrain,andhastheadvantagesofhighprecisi
5、on,longsensingdistance,anti-electromagneticinterferenceandlowcost.However,itisunknownwhethertheopticalfiberasasensingelementcanadapttothecoldandblackspaceenvironment.Inthispaper,theBrillouingainspectra(BGS)oftwotypicalstandardsingle-modeopticalfibersatultra-lowtemperaturewerefirstlyobtainedbyBOTDAde
6、modulator.Then,theultra-lowtemperatureperformanceoftheopticalfiberswasanalyzedthroughexperimentaldata.Finally,thetemperatureandstraincoefficientofthetwoopticalfiberswerecalibrated.TheresultsshowthatthetestedopticalfiberscanstillformaLorentzshapedBGSatultra-lowtemperature,andtheactualfrequencyshiftis
7、consistentwiththetheoreticalfrequencyshiftcorrespondingtothelowtemperature,whichmeetsthetemperaturemeasurementrangerequirementsofBOTDAsensorintheultra-lowtemperaturespaceenvironment.Keywords:Brillouinopticaltimedomainanalysis;lowtemperatureperformance;temperaturecoefficient;straincoefficient;hystere
8、siseffect;opticalfiber收稿日期：2022-06-15；修回日期：2023-01-18基金项目：航天科技创新应用研究之二次创造项目“空间复杂环境下大型结构热变形地面原位测试技术”（编号：6230114007）引用格式：刘桔阳,张杨,侯广厦,等.超低温环境下光纤布里渊频移特性研究J.航天器环境工程,2023,40(1):49-54LIU J Y,ZHANG Y,HOU G S,et al.Investigation on Brillouin frequency shift characteristics of optical fiber under ultra-lowtemp
9、eratureJ.Spacecraft Environment Engineering,2023,40(1):49-54第40卷第1期航天器环境工程Vol.40,No.12023年2月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING49http:/E-mail:Tel:(010)68116407,68116408,68116544 0 引言引言分布式传感技术1-3采用高绝缘、化学性能稳定的光纤作为传感元件，可在保证安全性的前提下实现长距离连续检测，同时避免点式传感技术中传感器数量太多的问题。布里渊光时域分析（BOTDA）是典型的分布式传感技术之一，最初由Horiguchi 等4
10、提出，通过准确测量提取布里渊频移解耦获得光纤周围环境的分布式温度和应变信息5-7。BOTDA 的原理是：在传感光纤的两端分别注入泵浦脉冲光和连续信号光，当泵浦光的强度高于受激布里渊散射的阈值时产生受激布里渊散射，散射光相对于泵浦光的频率差即布里渊频移（BFS）；而外界温度 T 和应变 与光纤的物理特性（折射率、泊松比、杨氏模量和介质密度）之间存在对应关系，即与光纤的 BFS 之间存在对应关系。根据 Parker等8的研究，温度和应变与 BFS 之间存在强线性关系，通过测量光纤各处的 BFS 就可计算全光纤沿线的分布式温度和应变。大部分国产及进口的标准单模光纤的工作环境温度范围不超过-75100
11、，例如康宁 SMF-28e+光纤的正常工作环境温度范围为-6085，在超低温或温差较大的环境中光纤的微弯损耗将急剧加大，严重时甚至会导致传感器失灵。目前，国内对低温分布式布里渊传感系统的研究还较少，已有传感系统的测试温度远远不能满足航空航天领域的超低温应用需求9-11。2013 年，中国科学院上海光学精密机械研究所的黄文发等12研究了温度对受激布里渊散射阈值的影响，结果为温度越低阈值越高；2015 年，中交第一公路勘察设计研究院有限公司的张娟等13提出了针对青藏高原冻土公路的DPP-BOTDA 方案，实验温度为-3-5。本文针对空间环境特点设计了冷热冲击和浸泡实验来研究 2 种典型标准单模光纤
12、的热稳定性和耐寒性，获取光纤在-196 超低温下的布里渊散射特性；通过高低温箱标定光纤的温度系数；通过自行设计的拉伸台解决受试段光纤温度和形变同时控制的难题，标定了光纤的应变系数；对实验结果进行对比分析，以确定 BOTDA技术是否可应用于超低温环境下温度和应变测量。1 实验材料及装置实验材料及装置实验系统（见图 1）中选用的光纤为 G.652D 标准单模光纤，可用波段范围宽，可灵活应用于各种测量系统中，是目前国内应用最广泛的光纤之一。该光纤 1550nm 波长处的最大衰减为 0.20dB/km，包层直径为 125m，涂层直径为 250m，采用双层丙烯酸酯涂敷技术。实验中所用的光纤为：光纤 1涂
13、覆层外无紧护套（以下简称裸纤）；光纤 2 是在光纤 1 的基础上直接二次套 PVC 塑料的紧套光纤（以下简称紧套纤）。掺铒光纤放大器电光调制器窄线宽激光器环形器150/50耦合器偏振控制器任意函数发生器电光调制器微波源隔离器23滤波器PD光电探测器数据采集偏振控制器泵浦光探测光拉伸台与温控仪BOTDA解调仪高低温箱液氮容器传感光纤实验装置图1实验系统组成示意Fig.1Schematicofexperimentalsystem1.1低温性能测量装置光纤受激布里渊散射低温性能测量装置如图 2所示。测量时，先将待测光纤的两端分别接入BOTDA 解调仪的 PUMP 和 PROBE 接口，受试段光纤（F
14、UT）解缠绕后松弛放置于液氮容器中；然后向容器中加注液氮，并使 FUT 被完全淹没，通过控50航天器环境工程第40卷制添加液氮的方式和频率可进行冷热冲击和浸泡实验。液氮容器下的蓝色隔温垫是用来防止实验时-196 的液氮损伤地板。(a)BOTDA解调仪(b)液氮容器图2光纤的低温性能测试装置Fig.2Low temperature performance testing device foropticalfibers1.2温度系数标定装置温度系数标定装置如图 3 所示，包括 BOTDA解调仪和控温精度为 0.1 的高低温实验箱。将裸纤和紧套纤用熔接机连接起来整盘放置于高低温箱中，2 个跳线端从箱
15、体左侧的引线孔穿出接入BOTDA 解调仪。为确保光纤的温度与箱内温度完全一致，在箱内温度达到目标温度 10min 后再进行测量。测温范围为-2525，温度间隔为 5。实验时，先将温度从 25 逐步降至-25，再将温度逐步升回 25。图3光纤的布里渊频移温度系数标定装置Fig.3BFS temperature coefficient calibration device foropticalfibers1.3应变系数标定装置应变系数标定装置如图 4 所示，包括 BOTDA解调仪、手动高精度（m 级）拉伸台、激光测距仪（测量精度 1m）、日本岛电 SR23 温控仪（控温精度 0.1）和上位机。将温
16、控仪的加热线均匀缠绕于拉伸台的 1m 长的细钢管上，光纤的一端穿过细钢管后与另一端同时接入 BOTDA 解调仪。通过温控仪和拉伸台调整 FUT 的温度和应变，实际温度和应变可通过温控仪的显示器和与激光测距仪配对的上位机软件读出。1.03m 长的受试光纤形变范围为 01000m，裸纤的形变间隔为 50m，紧套纤的形变间隔为 100m，包括拉紧和放松两种应变。解调仪拉伸台激光测距仪温控仪显示器解调仪拉伸台激光测距仪温控仪上位机显示器上位机图4光纤的布里渊频移应变系数标定装置Fig.4BFS strain coefficient calibration device for opticalfibers 2 结果分析与讨论结果分析与讨论2.1光纤的低温布里渊频移特性本实验的超低温环境由液氮提供，常压下液氮的温度为-196。为防止添加或倾倒液氮的动作影响实验结果，液氮的增减采用从容器侧边缓缓注入和自然挥发的方式。冷热冲击实验使光纤在液氮（-196）和室温（25）环境间反复切换，浸泡实验使光纤在液氮中完全浸泡 5h，实验结果分别如图 5 和图 6 所示。初始室温添加液氮恢复室温再次添加液氮恢复室温