趙 浩 ， 林宗強 ， 肖 愷 ， 李 平 ， 羅巧梅 ， 張 靜

（1.上海波匯通信科技有限公司 上海 200120；2.上海紫珊光電技術(shù)有限公司 上海 200120）

光纖傳感技術(shù)[1-3]是一門新興技術(shù)，它是隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)的高速發(fā)展而迅速發(fā)展起來的。因其具有抗電磁干擾，電絕緣性好、安全可靠、耐腐蝕、化學(xué)性能穩(wěn)定、體積小、重量輕、集合形狀可塑、傳輸損耗小、傳輸容量大、測量廣泛等優(yōu)點，并且它可根據(jù)被測對象的情況選擇不同的檢測方法，對被測介質(zhì)影響小，已經(jīng)廣泛用于多個領(lǐng)域。它可以精確測量沿光纖上任一點的溫度、振動等信息，實時對故障點或擾動點的定位。光纖作為傳感感應(yīng)元件，可用于檢測分析的物理量有包括振動、壓力、溫度、應(yīng)變、加速度、電流、電壓、磁場、頻率、熱感應(yīng)等，能夠被充分的應(yīng)用于日常生活與國防工業(yè)的方方面面。

分布式光纖振動傳感時分布式光纖傳感的一個重要分支，利用光波在光纖中傳輸時相位、偏振等對振動敏感的特性，連續(xù)實時地監(jiān)測光纖附近的振動，具有廣闊的應(yīng)用前景和商用價值。

1 關(guān)鍵技術(shù)

目前，分布式光纖振動傳感系統(tǒng)所采用的技術(shù)主要有光后向散射技術(shù)、干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)、光學(xué)耦合探測技術(shù)、光學(xué)非線性參量探測技術(shù)。

1.1 光后向散射技術(shù)

當(dāng)光脈沖在光纖中進(jìn)行傳輸時，會產(chǎn)生與入射光波長相同的瑞利散射光、自發(fā)布里淵散射光和自發(fā)拉曼散射光，這是因為激光光子會與光纖介質(zhì)中的粒子發(fā)生碰撞。其中，瑞利散射光和布里淵散射光對作用于光纖上的振動壓力極為敏感的。光纖所受振動的大小頻率是通過光時域反射技術(shù) （OTDR）[4-7]測量分析后向散射光相關(guān)參數(shù)的變化情況來實現(xiàn)的，通過測量外界施加信號引起傳輸脈沖光在光纖內(nèi)的頻率移動而得到外界振動信號強度，通過測量發(fā)射和接收到脈沖光的時刻來判斷信號作用的位置，從而達(dá)到傳感應(yīng)力的目的。

后向散射技術(shù)是目前比較成熟的技術(shù)，在實現(xiàn)上比較簡單易行，但是其后向散射光信號比較微弱，故需要使用功率高的光源，造成系統(tǒng)的價格昂貴，同時系統(tǒng)的分辨率還受到發(fā)射光脈沖形狀和寬度的限制。因此，整個系統(tǒng)的探測靈敏度較低，空間分辨率也不高，系統(tǒng)應(yīng)用范圍狹窄，缺乏實用性，不能充分體現(xiàn)全分布式傳感技術(shù)的優(yōu)點。

1.2 干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)

光學(xué)干涉技術(shù)將光束相位的變化轉(zhuǎn)化為光束強度的變化，再通過光電探測器探測光強度，通過計算機軟件進(jìn)行解調(diào)分析，從而感測作用于傳感光纖上的振動信號。干涉型光纖傳感器屬于相位調(diào)制型傳感器，干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)包含了光相位干涉技術(shù)、光相位移動檢測技術(shù)、光時域定位技術(shù)和信號調(diào)制解調(diào)技術(shù)。干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)其最大的優(yōu)點是其靈敏度高，抗干擾能力強，因為光纖上的任意一點都是傳感單元，而且是測量正向傳輸光信號的變化，這樣測得的信噪比和準(zhǔn)確率都比較高。但是由于干涉型光纖傳感對光源相干性的要求比較高，因此長距離光纖干涉儀沿線的相位累積和光信號的正向傳輸使得信號定位成為了難題。

1.3 光學(xué)耦合探測技術(shù)

與普通的用于通信的光纖不同，這種技術(shù)采用一種特殊的光纖即高雙折射光纖。當(dāng)高雙折射光纖受到振動時，光纖會產(chǎn)生各向異性，前向傳輸光的兩個本征模式之間會有模式耦合。振動對耦合輸出的影響，主要表現(xiàn)為振動引起耦合區(qū)折射率和耦合區(qū)長度的變化，從而導(dǎo)致耦合輸出發(fā)生變化。振動分為低頻振動和高頻振動，前者對耦合輸出的影響主要表現(xiàn)為耦合區(qū)配合長度的改變，后者主要表現(xiàn)為耦合區(qū)折射率的變化，從而導(dǎo)致耦合輸出的變化。因此，通過在終端測量耦合輸出的變化從而可以達(dá)到分析判別振動的目的，實現(xiàn)振動傳感。

2 常用的分布式光纖振動傳感器

2.1 光后向反射型光纖振動傳感器

2.1.1 偏振光時域反射型（POTDR）振動傳感器

偏振光時域反射型（POTDR）傳感是通過檢測光纖中偏振態(tài)變化來達(dá)到分布式光纖傳感目的的一種傳感技術(shù)。POTDR技術(shù)是在OTDR技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。POTDR系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)如圖1。把線偏振光耦合進(jìn)光纖，當(dāng)光脈沖在光纖中傳輸產(chǎn)生散射光，經(jīng)起偏器起偏為偏振光，后向瑞利散射通過環(huán)形器進(jìn)入到偏振分束器后分成兩路光，然后由光電探測器來監(jiān)測兩路偏振光強，由于光的偏振性是位置的函數(shù)，因此探測后向散射光的偏振性，即可得知光纖中偏振特性的時間分布及空間分布。光纖中的偏振態(tài)變化與光纖中的雙折射現(xiàn)象密切相關(guān)。

圖1 OTDR系統(tǒng)示意圖Fig.1 POTDR system schematic diagram

當(dāng)光纖振動時，光纖中特定方向的折射率會發(fā)生變化，產(chǎn)生感生雙折射效應(yīng)，從而使得入射到振動光纖中的光的偏振態(tài)不變，這樣通過對比振動前和振動后的兩偏振態(tài)的光強變化，就能分析出第一個擾動點的位置，實現(xiàn)分布式振動傳感。但對于有多個振動點，可能會淹沒在首個振動點后的偏振態(tài)抖動中，如果要實現(xiàn)多點定位，POTDR還有許多問題需要研究。光的偏振特性易受各種隨機因素的影響，所以POTDR還需要解決的一個關(guān)鍵問題就是如何保持偏振態(tài)的穩(wěn)定性。

2.1.2 布里淵光時域反射型（BOTDR）振動傳感器

基于布里淵散射效應(yīng)的光纖振動傳感器是根據(jù)光線應(yīng)變引起的布里淵散射的斯托克斯光的頻移量發(fā)生變化來實現(xiàn)振動測量的。光纖中的布里淵散射相對于泵浦光有一個頻移量，通常稱為布里淵頻移，其受溫度和振動的影響，如果能夠控制溫度恒定不變，或者能夠得知溫度變化的應(yīng)用，即可作為振動傳感器。在自發(fā)布里淵散射時，除了布里淵信號的頻移，散射光功率也與光纖所處的環(huán)境溫度和所承受的應(yīng)變在一定條件下呈線性變化的光纖，所以只要檢測布里淵散射光的頻移和散射光功率兩個參量測量。

BOTDR雙參量測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 BOTDR雙參量測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of BOTDR’double parameters measurement system

由于BOTDR接收的是自發(fā)布里淵散射光，光功率較弱，和瑞利散射光的頻譜間隔只有11 GHz左右，所以系統(tǒng)采用光相干檢測技術(shù)，可以同時完成放大信號和提取布里淵散射光信號從而實現(xiàn)對振動的測量。該技術(shù)的優(yōu)點在于光學(xué)相干檢測和電外差都可以很容易實現(xiàn)，測量分辨率高，技術(shù)的使用性強。但是由于布里淵頻移很小，且其線寬很窄，這就要求激光器具有極高的頻率穩(wěn)定性和極窄的可調(diào)線寬，對光濾波器也有很高的要求，因此該系統(tǒng)在制造和使用上既復(fù)雜又昂貴。

2.1.3 相位敏感的光時域反射性（φ-OTDR）振動傳感器

φ-OTDR分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的工作原理為當(dāng)由聲音或物體振動產(chǎn)生的壓力施加傳感光纜時，由于彈光效應(yīng)導(dǎo)致傳感光纜的長度和折射率發(fā)生變化，從而引起傳感光纜中 傳輸光的相位改變。

圖3 φ-OTDR分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 φ-OTDR of the distributed optical fiber vibration sensing system schematic diagram

其總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，其主要由光調(diào)制解調(diào)儀、光探測模塊、信號采集器、協(xié)處理器、監(jiān)測分析報警系統(tǒng)和傳感光纜等組成。根據(jù)后向散射光原理，由光調(diào)制解調(diào)儀輸出的大功率窄脈沖光注入到傳感光纖中，會在傳感光纖中產(chǎn)生后向瑞利散射光。當(dāng)某一時刻產(chǎn)生振動擾動時，相應(yīng)位置的光強信息與前一時刻無擾動的光強是不同，所以通過監(jiān)測分析處理系統(tǒng)分析當(dāng)前后向散射信號與其前一時刻的后向瑞利散射信號的光強差異，來獲得整個防區(qū)的入侵振動信息。

φ-OTDR不僅對外界微弱信號敏感性很強，而且可以實現(xiàn)多點定位。該系統(tǒng)需要采用窄線寬激光器，而且該激光器要具有極小的頻率漂移，這是為了避免φ-OTDR后向散射曲線發(fā)生抖動。

2.2 干涉型光纖振動傳感器

2.2.1 M-Z型干涉儀光纖振動傳感器

基于Mach-Zehnder（簡寫M-Z）干涉儀的振動傳感器的工作方式，如圖4所示：光源發(fā)出的信號經(jīng)第一個3 dB耦合器后進(jìn)入兩根長度基本相同的傳感光纖，一根作為信號臂，另一根則為參考臂，兩傳感光纖處射信號經(jīng)第二個3 dB耦合器耦合后產(chǎn)生干涉。當(dāng)傳感結(jié)構(gòu)中的光纖信號臂收到外界應(yīng)力或振動作用，光纖信號臂光纖的折射率、幾何尺寸等參數(shù)將產(chǎn)生變化，而參考臂中不受影響，因而參考臂內(nèi)部傳輸?shù)墓獠ㄏ辔粚⒉皇苡绊?，因此信號臂與參考臂內(nèi)的兩光信號間將會產(chǎn)生相位差，因而輸出光強隨著干涉的發(fā)生也將發(fā)生變化。因而可通過干涉光強的變化來反映光纖收到的外界作用。

M-Z型光纖振動傳感器的優(yōu)點在于靈敏度高，缺點是結(jié)構(gòu)中需要一個參考光纖，環(huán)境對其影響較大，導(dǎo)致測量的不穩(wěn)定，限制了這種傳感器的應(yīng)用。

圖4 光纖馬赫-澤德干涉結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Fiber optic M-Z interference structure diagram

2.2.2 Sagnac型干涉儀光纖振動傳感器

圖5 光纖薩格奈克干涉?zhèn)鞲薪Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Optical fiber sag Nike interference sensor structure diagram

如圖5所示，光纖薩格奈克干涉儀的工作方式，如圖5所示：光源通過隔離器進(jìn)入到耦合器后，光源輸出后被分為兩路，分別在一根閉合的傳感光纖中沿順時針和逆時針方向傳播，當(dāng)傳感光纖遭受外界作用時，光纖內(nèi)部傳輸?shù)膬墒庑盘栂辔粚l(fā)生變化，且擾動后兩束光信號的相位差大小與外界作用點位置、以及外界作用噪聲引起的光波相位變化速率有關(guān)。

薩格奈克干涉儀的對稱結(jié)構(gòu)使其對光源相干性要求不高，但是，薩格奈克干涉環(huán)在其對稱中心附近位置處的探測靈敏度很差，因為在此位置處順時針和逆時針的光受到相同的相位改變，造成傳感信號相互抵消，從而產(chǎn)生互易效應(yīng)而導(dǎo)致無傳感信號的輸出。

2.2.3 邁克爾遜型干涉儀光纖振動傳感器

圖6 光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲薪Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Optical fiber sensing structure schematic of Michelson interferometers

邁克爾遜型干涉儀光纖振動傳感器的工作方式，如圖6所示：光源發(fā)出的光信號通過隔離器進(jìn)入3 dB耦合器后分為兩路，分別進(jìn)入兩根傳感光纖，傳感光纖的一端R1、R2為全反射鏡，當(dāng)光纖中的光信號經(jīng)全反射鏡R1、R2反射后，返回到3 dB耦合器，進(jìn)入到同一根光纖時，兩束光信號產(chǎn)生相干效應(yīng)，其干涉結(jié)果被光探測器探知。當(dāng)反射鏡處于受保護狀態(tài)，而兩根傳感光纖受到外界作用力時，光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庑盘枌l(fā)生相位改變，而使干涉后的功率發(fā)生變化，光探測器探測到這一變化，就可反映外力對傳感光纖的作用。邁克爾遜型干涉儀光纖振動傳感器靈敏度高，但是對光源的相干性要求極高，且其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此在長距離傳感中應(yīng)用有很大的局限性。

2.3 耦合型光纖振動傳感器

耦合性光纖振動傳感器的核心是一個單模熔錐型光纖耦合器。錐形光纖中的光的傳輸特性與光纖熔融拉錐時纖芯半徑發(fā)生變化有關(guān)。在耦合器的一端輸入光信號，輸入的光信號的倒模功率在拉錐區(qū)隨著纖徑的變細(xì)而逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠；虬鼘幽?，所泄漏的功率被輸出端的兩根光纖俘獲，并隨著光纖變粗而逐漸轉(zhuǎn)化成導(dǎo)模功率。振動信號會引起耦合區(qū)折射率發(fā)生周期性變化，從而對分布在耦合區(qū)的模式產(chǎn)生擾動，擾動會對耦合區(qū)光纖的介電常數(shù)進(jìn)行調(diào)制，最后導(dǎo)致傳感器的耦合輸出隨振動信號的變化而變化，進(jìn)而實現(xiàn)對應(yīng)變、振動等參量的測量。

3 分布式光纖振動傳感器的發(fā)展方向及應(yīng)用

目前的分布式振動傳感器基本上是探測光纖軸向信息的一維傳感器，隨著探測范圍和信息量的增大，二維的分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)是光纖傳感器發(fā)展的一個重要方向。盡管各種分布式光纖振動傳感器的機理都比較成熟，但是其面向?qū)嶋H應(yīng)用還存在很多問題，包括傳感器系統(tǒng)的成本和可靠性。

分布式光纖振動傳感器主要應(yīng)用于隧道、橋梁、建筑物等大型設(shè)施的安全監(jiān)測，能夠?qū)崟r地得到斷裂或破損導(dǎo)致的振動信號，從而判斷結(jié)構(gòu)損壞的情況，同時有效地給出發(fā)生損害的位置。其應(yīng)用領(lǐng)域還包括軍隊、銀行等的安防警戒系統(tǒng)，輸油、氣管道的自然形變或人為挖掘等破壞情況的監(jiān)控，地震災(zāi)害的預(yù)警等。由于分布式光纖振動傳感器是無緣驅(qū)動，更適用于需要安全保密性強的領(lǐng)域，尤其是長距離實時測量是無論在軍用還是民用領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

分布式光纖振動傳感器由于其優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器顯著的特點，在橋梁、隧道、石油管道等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價值。但現(xiàn)在仍有許多技術(shù)難點有待突破，如如何保證在各種復(fù)雜環(huán)境下系統(tǒng)的穩(wěn)定性和定位精度、如何處理比較微弱的檢測信號等。

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