基于鍍鋁光纖準(zhǔn)聲阻抗匹配特性的分布式聲阻抗傳感器

01???導(dǎo)讀

基于前向受激布里淵散射（Forward Stimulated Brillouin Scattering, FSBS）的分布式光纖傳感技術(shù)用聲代光作為觸角，利用無損標(biāo)準(zhǔn)光纖中獨(dú)特的橫向聲波來測量光纖外介質(zhì)的聲阻抗從而實(shí)現(xiàn)對外界物質(zhì)的識別與特性分析，拓寬了物質(zhì)識別領(lǐng)域的檢測方式，已成為當(dāng)前分布式光纖傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)董永康教授團(tuán)隊(duì)首次提出了準(zhǔn)聲阻抗匹配傳感機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了一種基于FSBS的分布式光力傳感器，將與二氧化硅包層更為接近、具有優(yōu)越力學(xué)強(qiáng)度的鋁涂覆層光纖作為新型聲阻抗傳感光纖，系統(tǒng)性研究了鍍鋁光纖聲阻抗傳感中的橫向聲波模式響應(yīng)和相對濕度不敏感特性，并以2m的空間分辨率高信噪比的識別了鍍鋁涂層光纖周圍的空氣和水，驗(yàn)證了其分布式識別外界物質(zhì)的能力。研究成果以“Quasi-acoustic impedance matching distributed opto-mechanical sensor with aluminized coating optical fibers”為題發(fā)表在美國光學(xué)學(xué)會（OSA）旗艦期刊Optics?Letters，論文第一作者為董永康教授，第二作者為博士生任玉麗，通訊作者為巴德欣教授。

?02??研究背景

前向受激布里淵散射是激光光束和電致伸縮引起的橫向聲波之間有趣的非線性聲光相互作用。目前，基于FSBS的分布式光纖傳感技術(shù)被提出，利用無損單模光纖中獨(dú)特的橫向聲波測量光纖外物質(zhì)的機(jī)械特性，從而實(shí)現(xiàn)外界物質(zhì)識別與特性分析，此方案為利用光纖進(jìn)行物質(zhì)種類分辨提供了新的思路。光纖不僅具有導(dǎo)光性，還是一種良好的聲波導(dǎo)。FSBS激發(fā)的聲波以光纖包層/涂層和外界的交界為邊界，在橫截面內(nèi)往返振蕩形成橫向聲波模式，其聲波壽命對外界物質(zhì)的聲波阻抗敏感。當(dāng)橫向聲波與纖芯中傳輸?shù)墓獠òl(fā)生FSBS后，通過測量其譜寬信息即可得到外界物質(zhì)的機(jī)械性能。

研究者們利用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，通過將FSBS與位置分辨的瑞利散射或后向受激布里淵散射相結(jié)合，探測累積的FSBS頻譜，經(jīng)數(shù)據(jù)處理解調(diào)出分布式信息。然而，現(xiàn)有光纖聲阻抗傳感所使用的待測光纖存在一些問題：標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的丙烯酸酯涂覆層聲阻抗與包層二氧化硅聲阻抗差異較大，聲波傳輸損耗嚴(yán)重?zé)o法與外部環(huán)境物質(zhì)接觸，基于此類傳感方法必須要剝離單模光纖的涂覆層，去除涂覆層的裸光纖力學(xué)強(qiáng)度低，難以實(shí)際應(yīng)用；已有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道聚酰亞胺涂層光纖亦可允許橫向聲波傳輸?shù)酵繉硬⒖傻竭_(dá)周圍環(huán)境，同時(shí)保持光纖的機(jī)械性能，然而聚酰亞胺光纖具有不均勻FSBS增益譜，同時(shí)涂層吸水膨脹造成測量結(jié)果誤判。

因此，針對上述問題，對于石油等能源管道泄漏、海水淡化過程、深井井下水位測量等應(yīng)用領(lǐng)域，提出了一種具有高信噪比和強(qiáng)魯棒性的用于外界物質(zhì)辨別的分布式聲阻抗傳感器，這不僅具有學(xué)術(shù)價(jià)值，而且具有十分重要的社會意義。

?03???創(chuàng)新研究

3.1準(zhǔn)聲阻抗匹配原理

圓柱形光纖不僅能傳輸基本的光學(xué)模式，而且支持豐富的聲學(xué)模式，如縱向、徑向、扭轉(zhuǎn)和彎曲彈性波。雖然光學(xué)模式主要被限制在纖芯內(nèi)部，無法直接感知光纖的周圍環(huán)境，但聲學(xué)模式的存在依賴于包層-外部邊界對聲波的引導(dǎo)，使其感知周圍介質(zhì)的外部機(jī)械性能的變化。對于徑向聲學(xué)模式，表示為R0,m，其橫向聲場徑向?qū)ΨQ且受光纖邊界的約束，允許橫向聲波在整個光纖截面內(nèi)諧振，并能明顯受到任何邊界聲阻抗變化的影響。聲波可以通過光彈性效應(yīng)影響光的傳播，這就為通過FSBS過程檢測標(biāo)準(zhǔn)光纖中的光波來識別周圍材料的成分提供了機(jī)會。

光纖外部聲學(xué)阻抗的變化影響邊界處聲波的反射率，也就是說，變化的聲學(xué)阻抗影響著聲波的壽命，這體現(xiàn)在FSBS的光譜線寬上。在待測光纖中輸入一個強(qiáng)激發(fā)脈沖，通過電致伸縮效應(yīng)將橫向聲波激活至穩(wěn)態(tài)。一旦脈沖中斷，橫向聲波仍然可以與驅(qū)動聲場保持相位連續(xù)性并呈指數(shù)衰減。橫向聲波在多層光纖結(jié)構(gòu)中傳播，其反射和傳輸由每一層結(jié)構(gòu)的聲阻抗決定。假設(shè)聲波在界面處的反射和透射能量守恒，設(shè)二氧化硅-鋁層和鋁層-外界介質(zhì)邊界的聲場反射率分別為r1和r2，則邊界處的聲波反射率表示為



計(jì)算可得，二氧化硅-鋁層邊界的聲場反射率為0.13，假設(shè)兩個邊界處的聲學(xué)損耗遠(yuǎn)小于鋁層內(nèi)的聲學(xué)傳播損耗，分析時(shí)考慮r1和r2的絕對值。值得注意的是，當(dāng)包層和涂層的聲阻抗相等時(shí)，聲波在邊界處的反射率為0，即r1?= 0，這意味著此時(shí)聲波的傳輸功率最大，即包層和涂層達(dá)到了聲阻抗匹配條件。這里列出了幾種常見涂層材料的聲阻抗參數(shù)進(jìn)行對比分析，如表1所示。其中，鋁的聲阻抗與二氧化硅的聲阻抗最為接近，這意味著二氧化硅-鋁涂層界面具有較低的聲場反射率，我們稱之為“準(zhǔn)聲阻抗匹配”。而其他涂層材料的聲阻抗與二氧化硅的聲阻抗相差較大，計(jì)算其聲場反射率均高于0.5（例如，二氧化硅-銅層邊界的聲場反射率為rsi-Cu?= ~0.52），邊界間的聲阻抗不匹配，導(dǎo)致橫向聲波在涂層中的傳輸效率大大降低。

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表1 幾種材料的聲阻抗

鍍鋁光纖內(nèi)部的橫向聲波動力學(xué)可以簡化為一個兩層過程，外部介質(zhì)的聲阻抗首先影響鋁涂層的整體聲反射率，進(jìn)而改變標(biāo)準(zhǔn)光纖結(jié)構(gòu)中的FSBS頻譜的線寬。FSBS共振線寬的展寬是由于二氧化硅-鋁涂層邊界的有效折射率R引起的，光纖外層材料的聲阻抗與FSBS譜的共振線寬Gm直接相關(guān)，其定量關(guān)系如下：

橫向聲波的邊界條件表示為：

其中，ym為聲波滿足的邊界條件方程的解，根據(jù)邊界條件，共振頻率fm與光纖直徑d成反比：

幸運(yùn)的是，鋁的聲阻抗接近于二氧化硅，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)聲阻抗匹配。因此，聲波更傾向于在涂層的橫截面內(nèi)振蕩，而不是僅在包層區(qū)域。因此，由式（3）給出的色散關(guān)系不再適用，于是，一般的彈性動力學(xué)方程表示為：

3.2鍍鋁光纖FSBS頻譜分析

首先，對單模光纖和鍍鋁光纖中激發(fā)的橫向聲波場進(jìn)行對比分析。其中，兩種傳感光纖徑向模式R0,6的橫向聲場強(qiáng)度和位移分布分別如圖1（a）和（b）所示。橫向聲波在兩者包層結(jié)構(gòu)內(nèi)均保持較強(qiáng)的共振強(qiáng)度，但顯著區(qū)別在于當(dāng)橫向聲波穿過包層-涂層邊界進(jìn)入涂層結(jié)構(gòu)內(nèi)時(shí)，鍍鋁光纖涂層中的聲波分布強(qiáng)度保持較高水平，而單模光纖涂層的聲波分布強(qiáng)度迅速衰減到可以忽略不計(jì)的水平；同時(shí)，單模光纖的位移場分布也在丙烯酸酯涂層中沒有體現(xiàn)，而鍍鋁光纖涂層中位移場分布均勻。

這是由于鋁涂層與包層材質(zhì)二氧化硅的聲阻抗?jié)M足準(zhǔn)聲阻抗匹配條件，薄的鍍鋁層允許橫向聲波在包層-涂層邊界之間低損耗傳輸，從而使聲波保持足夠的能量完成橫向腔的往返；而丙烯酸酯的聲阻抗與之差異較大導(dǎo)致大部分橫向聲波在包層-涂層邊界被反射且丙烯酸酯的聲損耗較高，聲波不足以完成橫向腔的往返，此現(xiàn)象對于其他階聲模式同樣有效。因此，對于鍍鋁光纖，在包層和鍍鋁層之間的準(zhǔn)聲阻抗匹配下，聲波有機(jī)會直接與外界介質(zhì)相互作用，實(shí)現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)識別或液體聲阻抗傳感。



圖1 (a)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和(b)鍍鋁光纖中R0,6模式的強(qiáng)度分布和位移場分布

結(jié)合鍍鋁光纖，運(yùn)用光時(shí)域分析儀來探測橫向聲波并進(jìn)行分布式傳感實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置較為簡單，與傳統(tǒng)的布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)接近，如圖2所示。



圖2?基于鍍鋁光纖的OMTDA系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

對單模光纖和特殊涂層光纖的FSBS頻譜進(jìn)行研究，掃頻范圍為10-510MHz，如圖3所示，實(shí)驗(yàn)中得到的FSBS頻譜均顯示了多個共振峰。圖3（a）為鍍鋁光纖和無涂層單模光纖的頻譜對比結(jié)果，當(dāng)鍍鋁涂層作為聲場傳播介質(zhì)時(shí)，由于與二氧化硅的準(zhǔn)聲阻抗匹配條件，橫向聲波相比于無涂層單模光纖具有較大振蕩直徑，因此鍍鋁光纖中的FSBS與無涂層單模光纖表現(xiàn)出相似的離散頻譜分布，但鍍鋁光纖中每個聲學(xué)模式之間的共振頻率間距相對減?。▇36.76MHz）。作為比較，選擇具有相同包層直徑但涂層厚度不同（分別為~17.1mm和~13.8mm）的聚酰亞胺光纖作為待測光纖，進(jìn)行10-510MHz范圍掃頻獲得的FSBS頻譜如圖3（b）所示。

由于涂層厚度差約為3mm，導(dǎo)致兩者光譜分布的模式強(qiáng)度嚴(yán)重失真。具體來說，二氧化硅和聚酰亞胺涂層之間的聲阻抗不匹配，導(dǎo)致在包層-聚酰亞胺涂層界面處的聲反射（rsi-PI?= ~ 0.57）和聲透射相對等效，從而引起反射聲波與透射聲波之間的相干相消。因此，對于聚酰亞胺光纖，涂層厚度的均勻性會影響將其作為待測光纖的FSBS傳感器性能。綜上，當(dāng)鍍鋁層用作光纖涂層時(shí)，包層-涂層界面處的反射可以忽略不計(jì)，一定程度上避免了對聲波傳輸?shù)母蓴_，使系統(tǒng)對涂層參數(shù)具有更高的魯棒性。



圖3 (a)?測量得到的鍍鋁光纖、無涂層SMF和(b) 聚酰亞胺光纖的FSBS頻譜

3.3鍍鋁光纖的相對濕度與穩(wěn)定性測試

聚酰亞胺光纖除了具有不規(guī)則的FSBS光譜分布外，其涂層在進(jìn)行液體傳感時(shí)往往會吸收水分，因此環(huán)境的相對濕度會干擾其FSBS光譜測量，而鍍鋁光纖則完美解決以上缺點(diǎn)。為了驗(yàn)證鍍鋁光纖對相對濕度的敏感性，將15m的待測光纖放置于溫濕箱內(nèi)，溫度穩(wěn)定控制在30°C。相對濕度從40%RH增大為90%RH。實(shí)驗(yàn)測量R0,6模式介導(dǎo)的FSBS頻譜，如圖4所示。分別對6個濕度條件下的頻譜計(jì)算其中心頻率和線寬均約為209.4MHz 和1.7MHz。六組FSBS譜顯示出高度的一致性，僅在噪聲基底周圍有輕微的波動。

由于鍍鋁層與空氣之間存在嚴(yán)重的聲阻抗不匹配，橫向聲波束縛在整個光纖截面內(nèi)，平均信噪比達(dá)到34.01dB。測量組之間的信噪比波動為7.58dB。此外，每個濕度下的FSBS譜測量重復(fù)5次，并洛倫茲擬合提取的中心頻率和線寬如圖4(a)所示，計(jì)算中心頻移和線寬的均方根誤差分別為11.22kHz和14.61kHz。同時(shí)，不同濕度下測量的頻移和線寬標(biāo)準(zhǔn)差分別為5.34kHz和8.77kHz，均小于固有測量不確定度。因此，鍍鋁光纖中的FSBS對環(huán)境濕度變化不敏感，幾乎不受外界相對濕度變化的影響，這是基于FSBS液體聲阻抗傳感的獨(dú)特優(yōu)勢。



圖4 (a)?不同濕度條件下測量R0,6模式介導(dǎo)的FSBS頻譜,?(b)?鍍鋁光纖頻移和線寬隨濕度的變化

隨后為了進(jìn)一步表征鍍鋁光纖的傳感精度，進(jìn)行了穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，在室溫下每隔24小時(shí)重復(fù)測量由R0,6模式在空氣中介導(dǎo)的FSBS光譜。如圖5（a）所示，五組重復(fù)性實(shí)驗(yàn)分別表示為test-1到test-5。通過洛倫茲擬合提取的它們的中心頻率和線寬如圖5（b）所示。計(jì)算表明，頻移和線寬的平均值分別為209.36和1.77MHz，最大值和最小值的偏差分別為0.13MHz和0.10MHz。由于鍍鋁光纖具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，頻移和線寬的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別穩(wěn)定在52.63kHz和39.62kHz，這些變化不足以影響后續(xù)的聲阻抗傳感。因此，鍍鋁光纖表現(xiàn)出高穩(wěn)定性，可用于誤差極低的傳感實(shí)驗(yàn)。?



圖5 (a）重復(fù)測量的FSBS頻譜和（b）頻移與線寬

3.4 基于鍍鋁光纖的聲阻抗傳感

最后，進(jìn)行基于鍍鋁光纖的分布式聲阻抗傳感。長度為15m的鍍鋁光纖松弛的放置在空氣中，沒有固有的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變，以步長0.01MHz，從204MHz掃描到215MHz，其3D譜分布如圖6（a）所示。由于鍍鋁涂層與空氣界面之間的反射比接近于1，空氣環(huán)境的FSBS譜線寬主要由光纖中的固有聲學(xué)損耗決定。然后，將鍍鋁光纖的中間4m置于去離子水中，其余光纖則繼續(xù)保持在空氣中。由于水的聲阻抗與光纖鋁層差異較大，F(xiàn)SBS接觸水時(shí)能量轉(zhuǎn)移效率降低，導(dǎo)致峰強(qiáng)度降低，線寬展寬，如圖6（b）所示。取2.5m和7.5m處的FSBS譜進(jìn)行對比分析如圖6（c）所示，空氣和水中的FSBS譜的線寬分別為1.72MHz和3.41MHz。

此外，F(xiàn)SBS光譜的分布式線寬通過洛倫茲擬合計(jì)算如圖6（d），其中在鍍鋁光纖的中間部分出現(xiàn)突然的臺階，即表明外部環(huán)境的變化，其空間分辨率為2m。代表空氣環(huán)境的頻譜線寬低于1.9MHz，而水環(huán)境中的頻譜線寬約為3.3MHz。這兩個區(qū)域的線寬波動都限制在0.22MHz以下，表明鍍鋁光纖聲阻抗傳感穩(wěn)定性良好。



圖6 鍍鋁光纖外介質(zhì)的分布式聲阻抗傳感

?04???應(yīng)用與展望

本文主要提出了一種性能穩(wěn)定、魯棒性高的分布式光力傳感器，用于外部環(huán)境物質(zhì)聲阻抗識別，首次演示了鍍鋁涂層光纖中的FSBS效應(yīng)。得益于鍍鋁層和二氧化硅纖芯-包層的準(zhǔn)聲阻抗匹配條件，鍍鋁光纖不僅具有更強(qiáng)的力學(xué)性能和更高的橫向聲波傳輸效率，而且具有更高的信噪比。通過以2m的空間分辨率識別鍍鋁涂層光纖周圍的空氣和水來驗(yàn)證分布式測量能力。此外，所提出的傳感器不受外部相對濕度變化的影響，這是液體聲阻抗測量的優(yōu)勢。這種新型傳感器將適用于石油管道泄漏和海洋污染物檢測等化學(xué)傳感領(lǐng)域，以及同時(shí)溫度和聲阻抗傳感。?





審核編輯：劉清