分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)研究

趙 浩 ， 林宗強(qiáng) ， 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(cè)量廣泛等優(yōu)點(diǎn)，并且它可根據(jù)被測(cè)對(duì)象的情況選擇不同的檢測(cè)方法，對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，已經(jīng)廣泛用于多個(gè)領(lǐng)域。它可以精確測(cè)量沿光纖上任一點(diǎn)的溫度、振動(dòng)等信息，實(shí)時(shí)對(duì)故障點(diǎn)或擾動(dòng)點(diǎn)的定位。光纖作為傳感感應(yīng)元件，可用于檢測(cè)分析的物理量有包括振動(dòng)、壓力、溫度、應(yīng)變、加速度、電流、電壓、磁場(chǎng)、頻率、熱感應(yīng)等，能夠被充分的應(yīng)用于日常生活與國(guó)防工業(yè)的方方面面。

分布式光纖振動(dòng)傳感時(shí)分布式光纖傳感的一個(gè)重要分支，利用光波在光纖中傳輸時(shí)相位、偏振等對(duì)振動(dòng)敏感的特性，連續(xù)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)光纖附近的振動(dòng)，具有廣闊的應(yīng)用前景和商用價(jià)值。

1 關(guān)鍵技術(shù)

目前，分布式光纖振動(dòng)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(cè)技術(shù)、光學(xué)非線性參量探測(cè)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生與入射光波長(zhǎng)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?yàn)榧す夤庾訒?huì)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(duì)作用于光纖上的振動(dòng)壓力極為敏感的。光纖所受振動(dòng)的大小頻率是通過光時(shí)域反射技術(shù) （OTDR）[4-7]測(cè)量分析后向散射光相關(guān)參數(shù)的變化情況來實(shí)現(xiàn)的，通過測(cè)量外界施加信號(hào)引起傳輸脈沖光在光纖內(nèi)的頻率移動(dòng)而得到外界振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度，通過測(cè)量發(fā)射和接收到脈沖光的時(shí)刻來判斷信號(hào)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(shí)現(xiàn)上比較簡(jiǎn)單易行，但是其后向散射光信號(hào)比較微弱，故需要使用功率高的光源，造成系統(tǒng)的價(jià)格昂貴，同時(shí)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(gè)系統(tǒng)的探測(cè)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(shí)用性，不能充分體現(xiàn)全分布式傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

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(qiáng)度的變化，再通過光電探測(cè)器探測(cè)光強(qiáng)度，通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行解調(diào)分析，從而感測(cè)作用于傳感光纖上的振動(dòng)信號(hào)。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(dòng)檢測(cè)技術(shù)、光時(shí)域定位技術(shù)和信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)。干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)其最大的優(yōu)點(diǎn)是其靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，因?yàn)楣饫w上的任意一點(diǎn)都是傳感單元，而且是測(cè)量正向傳輸光信號(hào)的變化，這樣測(cè)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(duì)光源相干性的要求比較高，因此長(zhǎng)距離光纖干涉儀沿線的相位累積和光信號(hào)的正向傳輸使得信號(hào)定位成為了難題。

1.3 光學(xué)耦合探測(cè)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(dòng)時(shí)，光纖會(huì)產(chǎn)生各向異性，前向傳輸光的兩個(gè)本征模式之間會(huì)有模式耦合。振動(dòng)對(duì)耦合輸出的影響，主要表現(xiàn)為振動(dòng)引起耦合區(qū)折射率和耦合區(qū)長(zhǎng)度的變化，從而導(dǎo)致耦合輸出發(fā)生變化。振動(dòng)分為低頻振動(dòng)和高頻振動(dòng)，前者對(duì)耦合輸出的影響主要表現(xiàn)為耦合區(qū)配合長(zhǎng)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(cè)量耦合輸出的變化從而可以達(dá)到分析判別振動(dòng)的目的，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)傳感。

2 常用的分布式光纖振動(dòng)傳感器

2.1 光后向反射型光纖振動(dòng)傳感器

2.1.1 偏振光時(shí)域反射型（POTDR）振動(dòng)傳感器

偏振光時(shí)域反射型（POTDR）傳感是通過檢測(cè)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(cè)器來監(jiān)測(cè)兩路偏振光強(qiáng)，由于光的偏振性是位置的函數(shù)，因此探測(cè)后向散射光的偏振性，即可得知光纖中偏振特性的時(shí)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(dòng)時(shí)，光纖中特定方向的折射率會(huì)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(dòng)光纖中的光的偏振態(tài)不變，這樣通過對(duì)比振動(dòng)前和振動(dòng)后的兩偏振態(tài)的光強(qiáng)變化，就能分析出第一個(gè)擾動(dòng)點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)分布式振動(dòng)傳感。但對(duì)于有多個(gè)振動(dòng)點(diǎn)，可能會(huì)淹沒在首個(gè)振動(dòng)點(diǎn)后的偏振態(tài)抖動(dòng)中，如果要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)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(jī)因素的影響，所以POTDR還需要解決的一個(gè)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(shí)域反射型（BOTDR）振動(dòng)傳感器

基于布里淵散射效應(yīng)的光纖振動(dòng)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(shí)現(xiàn)振動(dòng)測(cè)量的。光纖中的布里淵散射相對(duì)于泵浦光有一個(gè)頻移量，通常稱為布里淵頻移，其受溫度和振動(dòng)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(dòng)傳感器。在自發(fā)布里淵散射時(shí)，除了布里淵信號(hào)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?cè)谝欢l件下呈線性變化的光纖，所以只要檢測(cè)布里淵散射光的頻移和散射光功率兩個(gè)參量測(cè)量。

BOTDR雙參量測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 BOTDR雙參量測(cè)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(cè)技術(shù)，可以同時(shí)完成放大信號(hào)和提取布里淵散射光信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的測(cè)量。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于光學(xué)相干檢測(cè)和電外差都可以很容易實(shí)現(xiàn)，測(cè)量分辨率高，技術(shù)的使用性強(qiáng)。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(duì)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(shí)域反射性（φ-OTDR）振動(dòng)傳感器

φ-OTDR分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的工作原理為當(dāng)由聲音或物體振動(dòng)產(chǎn)生的壓力施加傳感光纜時(shí)，由于彈光效應(yīng)導(dǎo)致傳感光纜的長(zhǎng)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(dòng)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(cè)模塊、信號(hào)采集器、協(xié)處理器、監(jiān)測(cè)分析報(bào)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(huì)在傳感光纖中產(chǎn)生后向瑞利散射光。當(dāng)某一時(shí)刻產(chǎn)生振動(dòng)擾動(dòng)時(shí)，相應(yīng)位置的光強(qiáng)信息與前一時(shí)刻無擾動(dòng)的光強(qiáng)是不同，所以通過監(jiān)測(cè)分析處理系統(tǒng)分析當(dāng)前后向散射信號(hào)與其前一時(shí)刻的后向瑞利散射信號(hào)的光強(qiáng)差異，來獲得整個(gè)防區(qū)的入侵振動(dòng)信息。

φ-OTDR不僅對(duì)外界微弱信號(hào)敏感性很強(qiáng)，而且可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)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(dòng)。

2.2 干涉型光纖振動(dòng)傳感器

2.2.1 M-Z型干涉儀光纖振動(dòng)傳感器

基于Mach-Zehnder（簡(jiǎn)寫M-Z）干涉儀的振動(dòng)傳感器的工作方式，如圖4所示：光源發(fā)出的信號(hào)經(jīng)第一個(gè)3 dB耦合器后進(jìn)入兩根長(zhǎng)度基本相同的傳感光纖，一根作為信號(hào)臂，另一根則為參考臂，兩傳感光纖處射信號(hào)經(jīng)第二個(gè)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(hào)臂收到外界應(yīng)力或振動(dòng)作用，光纖信號(hào)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?hào)臂與參考臂內(nèi)的兩光信號(hào)間將會(huì)產(chǎn)生相位差，因而輸出光強(qiáng)隨著干涉的發(fā)生也將發(fā)生變化。因而可通過干涉光強(qiáng)的變化來反映光纖收到的外界作用。

M-Z型光纖振動(dòng)傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于靈敏度高，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)中需要一個(gè)參考光纖，環(huán)境對(duì)其影響較大，導(dǎo)致測(cè)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(dòng)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(shí)針和逆時(shí)針方向傳播，當(dāng)傳感光纖遭受外界作用時(shí)，光纖內(nèi)部傳輸?shù)膬墒庑盘?hào)相位將發(fā)生變化，且擾動(dòng)后兩束光信號(hào)的相位差大小與外界作用點(diǎn)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(duì)稱結(jié)構(gòu)使其對(duì)光源相干性要求不高，但是，薩格奈克干涉環(huán)在其對(duì)稱中心附近位置處的探測(cè)靈敏度很差，因?yàn)樵诖宋恢锰庬槙r(shí)針和逆時(shí)針的光受到相同的相位改變，造成傳感信號(hào)相互抵消，從而產(chǎn)生互易效應(yīng)而導(dǎo)致無傳感信號(hào)的輸出。

2.2.3 邁克爾遜型干涉儀光纖振動(dòng)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(dòng)傳感器的工作方式，如圖6所示：光源發(fā)出的光信號(hào)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(hào)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(shí)，兩束光信號(hào)產(chǎn)生相干效應(yīng)，其干涉結(jié)果被光探測(cè)器探知。當(dāng)反射鏡處于受保護(hù)狀態(tài)，而兩根傳感光纖受到外界作用力時(shí)，光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庑盘?hào)將發(fā)生相位改變，而使干涉后的功率發(fā)生變化，光探測(cè)器探測(cè)到這一變化，就可反映外力對(duì)傳感光纖的作用。邁克爾遜型干涉儀光纖振動(dòng)傳感器靈敏度高，但是對(duì)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(zhǎng)距離傳感中應(yīng)用有很大的局限性。

2.3 耦合型光纖振動(dòng)傳感器

耦合性光纖振動(dòng)傳感器的核心是一個(gè)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(shí)纖芯半徑發(fā)生變化有關(guān)。在耦合器的一端輸入光信號(hào)，輸入的光信號(hào)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(dòng)信號(hào)會(huì)引起耦合區(qū)折射率發(fā)生周期性變化，從而對(duì)分布在耦合區(qū)的模式產(chǎn)生擾動(dòng)，擾動(dòng)會(huì)對(duì)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(dòng)信號(hào)的變化而變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變、振動(dòng)等參量的測(cè)量。

3 分布式光纖振動(dòng)傳感器的發(fā)展方向及應(yīng)用

目前的分布式振動(dòng)傳感器基本上是探測(cè)光纖軸向信息的一維傳感器，隨著探測(cè)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(gè)重要方向。盡管各種分布式光纖振動(dòng)傳感器的機(jī)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(dòng)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(cè)，能夠?qū)崟r(shí)地得到斷裂或破損導(dǎo)致的振動(dòng)信號(hào)，從而判斷結(jié)構(gòu)損壞的情況，同時(shí)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(duì)、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(dòng)傳感器是無緣驅(qū)動(dòng)，更適用于需要安全保密性強(qiáng)的領(lǐng)域，尤其是長(zhǎng)距離實(shí)時(shí)測(cè)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(dòng)傳感器由于其優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器顯著的特點(diǎn)，在橋梁、隧道、石油管道等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。但現(xiàn)在仍有許多技術(shù)難點(diǎn)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(cè)信號(hào)等。

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