分布式光纤振动传感技术及发展动态
分布式光纤传感器原理
分布式光纤传感器原理一、分布式光纤传感器原理分布式光纤传感器（Distributed Optical Fiber Sensor，DOFS）是一种新型传感技术，它利用光纤原理监测、测量被测目标的参数。
传感器通过植入光纤改变或分析光纤内传播的光脉冲，根据数学模型和算法从光脉冲的改变中分析出被测参数，从而达到监测或测量的目的。
传统的光纤传感器主要分为单点检测和分布式传感两类。
单点检测只能检测光纤段的一点，而分布式传感则可以同时监测整个光纤段的参数，如压力、温度、振动等。
分布式光纤传感器主要有两种：光纤Brillouin散射传感器（Fiber Brillouin Scattering Sensor）和光纤Raman散射传感器（Fiber Raman Scattering Sensor）。
1. 光纤Brillouin散射传感器光纤Brillouin散射传感器是利用光纤内固有的acoustic-optic 效应（Brillouin散射）来测量光纤内部的物理参数，如压力、温度、拉力等。
光纤Brillouin散射是指一束光线入射至光纤材料或结构中，由于光纤材料的内部固有声子和光子的相互作用，使得光子的波长会发生微小的变化，即光子的波长会发生一个内部固有的 Brillouin 光谱线，里面包含着光纤的特征参数，例如压力、拉力、温度等。
2. 光纤Raman散射传感器光纤Raman散射传感器是基于光纤Raman散射原理，利用激光激发出的光纤中的能量状态的微小变化来测量物理参数，如温度、压力、拉力等。
光纤Raman散射（Fiber Raman Scattering）是指一束激光入射至光纤中，由于光子和光纤中的自由电子的相互作用，使得激光光子中的能量状态发生微小的变化，从而产生一条Raman光谱线。
里面包含着光纤的特征参数，如温度、压力、拉力等。
二、分布式光纤传感器的应用分布式光纤传感器在工程和科学研究中有着广泛的应用，如用于： 1. 架构监测：可为大型结构物提供细节的分布式监测，如桥梁、建筑物等；2. 海洋和河流监测：可以实现实时的海洋流速和河流溯源的监测；3. 地质监测：可以检测地表或地下的地质变化，如地震、地质构造变化等；4. 军事和安全监控：可以检测活动的物体，如坦克、舰船等；5. 工厂设备监控：可以实现机器的实时监控，如机床、发动机等。
我国光纤传感技术发展路线图
3、传输距离远：光纤传感器能够实现远距离传输，适用于大型设备的远程 监控。
4、多参数测量：光纤传感器能够同时测量多种物理量，如温度、压力、位 移等。
5、体积小、重量轻：光纤传感器结构简单，体积小，重量轻，便于携带和 安装。
四、光纤传感技术的应用
1、工业生产：在石油化工、钢铁冶炼等工业生产领域，光纤传感器被广泛 应用于生产过程的监控和产品质量控制。例如，在石油化工行业中，光纤传感器 可以用于对高温、高压、腐蚀等恶劣环境的测量和监控。
技术路线分析
1、核心技术
光纤传感技术的核心技术包括光纤制造技术、光纤传感器件设计技术、信号 处理技术等。其中，光纤制造技术是光纤传感技术的基石，包括预制棒制备、拉 丝、筛选等工艺环节，需要不断提高工艺水平和产品质量。光纤传感器件设计技 术是实现高精度、高灵敏度传感的关键，需要加强基础研究和技术创新。信号处 理技术则是提高光纤传感系统性能的重要手段，需要加强算法研究和硬件开发。
三、分布式光纤传感技术的应用
ห้องสมุดไป่ตู้
分布式光纤传感技术在测量领域具有广泛的应用前景。例如，在石油和天然 气行业中，可以利用分布式光纤传感技术对油井和气井的温度和压力进行实时监 测；在电力行业中，可以利用分布式光纤传感技术对电力传输线路的温度和振动 进行实时监测；在建筑行业中，可以利用分布式光纤传感技术对建筑物的结构和 环境进行实时监测。此外，在军事、航空航天、环保等领域也有广泛的应用前景。
重点问题研究
在我国光纤传感技术的发展过程中，存在一些重点问题需要解决。例如，核 心器件依赖进口的问题，需要加强自主研发和技术创新，提高国内光纤传感器的 制造能力和水平。此外，在市场推广方面，需要加强与各领域的合作，深入挖掘 光纤传感技术的应用潜力，促进技术与产业的融合发展。
分布式光纤振动传感数据处理方法
分布式光纤振动传感数据处理方法随着社会的进步和科技的发展，人们对于振动传感数据的需求越来越大。
分布式光纤振动传感技术作为一种新兴的传感技术，能够实时、全方位地监测和分析物体的振动情况，具有广泛的应用前景。
然而，如何高效地处理分布式光纤振动传感数据成为了一个亟待解决的问题。
对于分布式光纤振动传感数据的处理，主要包括数据采集、数据传输、数据存储和数据分析等环节。
在数据采集方面，需要将光纤传感器布置在被测物体上，通过光纤传感器采集到的光信号来获取振动数据。
数据传输方面，需要将采集到的数据通过网络传输到数据中心进行处理。
数据存储方面，需要对传输过来的数据进行存储，以备后续分析使用。
数据分析方面，需要对存储的数据进行处理和分析，提取出有价值的信息。
在数据采集方面，分布式光纤振动传感技术通过光纤传感器可以实现对物体的全方位监测。
光纤传感器通过测量光信号的强度变化来获取振动数据，具有高灵敏度、高时空分辨率等优点。
同时，光纤传感器的布置方式也会影响到数据的采集效果。
合理布置光纤传感器可以提高数据的采集质量和准确度。
在数据传输方面，由于分布式光纤振动传感数据量较大，因此需要使用高带宽的网络来传输数据。
同时，在数据传输过程中需要保证数据的完整性和安全性。
可以通过采用数据压缩、加密等技术来提高数据传输的效率和安全性。
在数据存储方面，可以采用分布式存储系统来存储分布式光纤振动传感数据。
分布式存储系统可以将数据分散存储在多个节点上，提高数据的可靠性和可扩展性。
同时，也可以采用高速缓存技术来提高数据的读写速度。
在数据分析方面，可以采用机器学习、数据挖掘等方法对分布式光纤振动传感数据进行处理和分析。
通过对大量的数据进行训练和学习，可以从中提取出有价值的信息，如异常振动、故障预警等。
同时，也可以通过可视化技术将分析结果以直观的方式展示出来，方便用户进行查看和分析。
分布式光纤振动传感数据处理方法包括数据采集、数据传输、数据存储和数据分析等环节。
全分布式光纤应力传感器的研究新进展_孙琪真
布里渊频移 ,频移量与应力大小成正比 。自发布里 渊散射相对较弱 ,频移量小 (石英光纤对于波长为 1. 3μm 光的应变系数为 5. 8 M Hz/ 10 - 4 ) ,因此测量 谱线移动较为困难 。1993 年 T. Kurashima 等人首 先利用双光源的相干检测方法实现了自发布里渊信 号的检测和分布式应变测量 ,随后又通过引入一个 光频移环路实现了单光源的相干自外差检测 ,克服 了对两光源相干性的要求 。 2. 1. 4 基于相位敏感的光时域反射型 ( Ф2O TDR) 应力传感器[6 ]
利用逆向传输的泵浦光和探测光之间的非线性 效应也可以实现分布式应力传感 。这类传感器动态 范围大 ,测量精度高 ,但需要双端测量 ,系统较复杂 , 同时受到温度的影响 。 2. 2. 1 基于受激拉曼效应的应力传感器
强泵浦脉冲注入单模光纤 ,在斯托克斯波长下 , 与光纤另一端注入的连续探测光相互作用产生非线
Key words : dist ributed optical fiber sensing ; st ress ; spatial resolutio n ; dynamic mea s u re me nt
1 引言
分布式光纤传感测量是利用光纤的一维空间连 续特性进行测量的技术 。光纤既作传感元件 ,又作 传输元件 ,可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的 环境参数进行连续测量 ,同时获得被测量的空间分 布状态和随时间变化的信息 。分布式光纤传感器从 20 世纪 70 年代末期发展至今 ,主要分为准分布式 光纤 传 感 器 ( QDOFS) 和 全 分 布 式 光 纤 传 感 器 (DO FS) 。全分布式为连续测量法 ,整个光纤长度 上的任一点都是敏感点 ,属于“海量”测量 ,理论上传 感距离任意长 ,空间分辨率任意小 ,检测没有盲区 ,
《2024年BOTDR分布式光纤传感信号处理关键技术研究》范文
《BOTDR分布式光纤传感信号处理关键技术研究》篇一一、引言BOTDR（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry）技术作为一种重要的分布式光纤传感技术，已经在通信、地质探测、航空航天等多个领域得到广泛应用。
该技术基于光纤中布里渊散射现象进行传感信号的测量与传输，具备非接触、长距离、高精度等特点。
本文旨在深入探讨BOTDR分布式光纤传感信号处理中的关键技术，为相关领域的研究与应用提供理论支持。
二、BOTDR分布式光纤传感原理BOTDR技术利用激光脉冲在光纤中产生的声波与光波相互作用，产生布里渊散射现象。
通过测量散射光的频率和相位信息，可以获取光纤中声波的传播速度和衰减等信息，进而推断出光纤沿线的温度、应力、振动等物理量变化。
BOTDR技术具有高灵敏度、高分辨率和高精度等特点，在长距离、复杂环境下的光纤传感应用中具有显著优势。
三、信号处理关键技术研究（一）信号采集与预处理BOTDR系统通过光电转换器将光纤中的光信号转换为电信号，然后进行滤波、放大和模数转换等预处理操作。
这一阶段的关键在于选择合适的滤波器和放大器，以消除噪声干扰，提高信号的信噪比。
此外，针对不同应用场景，还需对预处理后的信号进行归一化、去噪等操作，以进一步提高信号质量。
（二）信号传输与同步在BOTDR系统中，信号的传输与同步是保证测量精度的关键环节。
通过优化光纤传输线路、采用高速数据传输技术以及精确的时间同步技术，可以确保信号在传输过程中的稳定性和准确性。
此外，针对分布式光纤传感系统中的多通道数据传输问题，还需研究高效的信号同步与解调算法，以实现多通道数据的同步采集与处理。
（三）数据处理与分析数据处理与分析是BOTDR分布式光纤传感信号处理的核心环节。
通过对采集到的信号进行频谱分析、波形识别、参数估计等操作，可以提取出光纤沿线温度、应力、振动等物理量的变化信息。
此外，针对复杂环境下的多参数测量问题，还需研究多参数融合算法和模式识别技术，以提高测量的准确性和可靠性。
分布式多参数光纤传感技术研究进展
分布式多参数光纤传感技术研究进展况洋;朱涛;吴昊庭;张敬栋;周欢;郑华;黄礼刚;白永忠;屈定荣;邱枫【摘要】分布式光纤传感系统利用光纤既能传感又能传输信号的特性实现对光纤沿线振动、应变、温度等物理量的长距离连续测量,在周界安防、电网管道监控、大型结构健康监测等领域具有十分广阔的应用前景.上述的实际应用中,事件或故障的发生通常表现为振动、应变以及温度等物理量的改变,振动的探测频响高低、应变探测的动态响应能力以及多参数的同时测量都会影响事件的定位或预警.因此,振动的宽频测量、应变的动态测量以及多参数测量,对事件定位和信息完整捕获起着至关重要的作用,能够推动分布式光纤传感的应用发展.本文介绍了近年来在分布式光纤传感系统中,基于瑞利散射的宽频振动测量、基于布里渊散射的应变动态测量以及基于多散射的多参数测量取得的研究进展.【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2018(045)009【总页数】16页(P62-77)【关键词】分布式光纤传感;多参数测量;瑞利;布里渊;拉曼【作者】况洋;朱涛;吴昊庭;张敬栋;周欢;郑华;黄礼刚;白永忠;屈定荣;邱枫【作者单位】重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆 400044;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆 400044;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆 400044;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆 400044;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆 400044;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆 400044;中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院,山东青岛266000;中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院,山东青岛 266000;中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院,山东青岛 266000【正文语种】中文【中图分类】O436.3;TN253分布式光纤传感技术利用光纤自身既作为信号传输介质又作为传感单元的特点来连续获取光纤沿线振动、应变以及温度等物理量的分布情况，从而实现分布式长距离测量[1]。
分布式光纤监测技术的工作原理
分布式光纤监测技术的工作原理分布式光纤监测技术是一种利用光纤传感器实现对物理量进行实时、连续监测的技术。
它通过在光纤中引入传感元件，将光纤变为一个分布式传感器，可以实现对光纤所覆盖区域内的温度、应力、振动等物理量的监测。
其工作原理主要包括光纤传感原理、信号解调原理和数据处理原理三个方面。
光纤传感原理是分布式光纤监测技术的基础。
光纤传感器通常利用光纤的光学特性来实现对物理量的测量。
光纤传感器中的光纤通常由两个部分组成：传感区和光纤衰减区。
传感区是光纤中引入的传感元件，它可以将外界物理量转化为光学信号。
当外界物理量改变时，传感区中的特殊材料会发生形变或介电常数变化，从而改变光纤的光学特性。
光纤衰减区是光纤中的一段特殊区域，它用于对传感信号进行衰减，使得传感信号可以在光纤中传输到光学解调单元。
信号解调原理是分布式光纤监测技术中的关键步骤。
信号解调的目的是将传感信号转化为可读取的数据。
在光纤传感器中，传感信号通常以光的强度变化形式存在。
为了解读传感信号，需要使用激光器和光学解调单元来进行信号解调。
激光器会向光纤中发射激光光束，经过光纤传输后，光纤中的传感区会对光束进行调制。
光学解调单元会接收传感信号，并通过光学元件将光信号转换为电信号。
然后，电信号会经过放大和滤波等处理，最终转化为可读取的数据。
数据处理原理是对得到的数据进行处理和分析的过程。
在分布式光纤监测技术中，得到的数据通常以时间-位置坐标形式存在。
通过对数据进行采样和处理，可以得到物理量在空间和时间上的变化情况。
数据处理的方法包括时域分析、频域分析和空域分析等。
时域分析主要用于研究物理量的变化趋势和周期性特征；频域分析可以对物理量的频率分布进行研究，以获取振动信号的频率谱；空域分析主要用于研究物理量在空间上的分布情况。
分布式光纤监测技术的工作原理包括光纤传感原理、信号解调原理和数据处理原理。
通过将光纤变为一个分布式传感器，可以实现对光纤所覆盖区域内的物理量进行实时、连续监测。
分布式光纤振动系统dvs原理
分布式光纤振动系统（Distributed Vibration Sensor，简称DVS）是一种用于监测和分析结构振动的先进技术。
DVS原理基于光纤光栅（FBG）传感器，通过测量和分析反射光强来评估光纤中光栅的应变变化。
DVS系统将FBG传感器分布在需要监测的结构的周围，以实现多点、分布式监测，从而提供全面的结构振动信息。
在介绍DVS原理之前，需要了解光纤光栅传感器的工作原理。
光纤光栅传感器是利用光纤布拉格反射原理，通过激光脉冲在光纤芯层中引起的折射率变化来反射或透过一定波长的光，形成光栅。
当光纤光栅受到外部振动或应变时，其周围的包层折射率会发生改变，进而影响入射光在光纤芯层中的传播，导致光栅应变的变化。
这种变化会引起反射光强发生变化，从而实现对外部振动或应变的监测。
DVS系统则是通过将光纤光栅传感器分布在整个结构上来实现分布式监测。
系统中的每个光纤光栅都对应着结构的一部分，当结构振动时，每个光纤光栅都会感受到相应的振动信息，并产生相应的反射光强变化。
通过对这些反射光强的监测和分析，DVS系统可以实现对整个结构振动的全面感知。
由于分布式的特性，DVS系统能够提供丰富的振动信息，包括振动的位置、大小、频率、方向等，有助于提高监测的精度和可靠性。
在实际应用中，DVS系统可以通过对结构振动的监测和分析，为工程人员提供重要的决策依据。
例如，在桥梁、大楼、管道等大型复杂结构的监测中，DVS系统可以实时监测结构的健康状况，及时发现潜在的故障和安全隐患。
通过分析振动数据，工程人员可以制定相应的维护和加固措施，提高结构的稳定性和安全性。
此外，DVS系统还可以应用于地震、风灾等自然灾害的灾后评估，为救援和重建工作提供重要的信息支持。
总之，分布式光纤振动系统DVS原理基于光纤光栅传感器，通过分布式的监测方式实现对结构振动的全面感知。
通过对结构振动的监测和分析，DVS系统可以为工程人员提供重要的决策依据，提高结构的稳定性和安全性，具有重要的应用价值。
光纤振动传感器详解
马赫一泽德干涉型光纤传感器的原理
这种传感器是由两根光纤即信号光纤和参考光纤组成。 激光器发出的光经过光纤耦合器分两路至参考光纤和信号光 纤中。当有振动或者压力信号作用于光纤信号臂时，会引起 信号臂光纤的几何尺寸和折射率等参数发生变化，导致在其 中传输的光波相位产生变化，从而两束光再次相遇时发生干 涉形成干光，干涉光再经光电转换变为与被测量成比例的电 信号。
②采用自聚焦透镜的光纤振动传感器 工作原理：在 1/4节距的自聚焦透镜的一端镀反射膜 , 其上 套敏感质量块,并由弹性膜支撑于壳体上。在自聚焦透镜的另 一端相对的壳体上并置关于 GRIN 透镜中心轴对称的发射光 纤和接收光纤,所以入射光经GRIN透镜反射后,进入到接受光 纤当中,弹簧膜振动的时候带动GRIN透镜振动,耦合光功率发 生了变化,其耦合光功率的大小与位移X有关,从而利用这个耦 合关系实施对微位移X的测量,进而间接地测量出加速度的数 值。
2018/10/19
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光弹效应原理：
光纤振动传感器的简介 光纤振动传感器的原理 光纤振动传感器的分类
光纤振动传感器的应用和展望
2018/10/19
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模式 调制
强度 调制 光纤振 动传感 器
偏振 态调 制
相位 调制
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波长 调制
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①光纤悬臂梁结构
其工作原理是从光纤传来的光经过梯度透镜光被梯度透 镜准直 , 成为平行光 , 出射后光被置于前方的悬臂梁上的平弹 片挡住一部分 , 其余部分光经反射镜反射回梯度透镜 , 聚焦于 光纤上。外壳与外部刚性连接 , 外部振动时外壳也振动 , 悬臂 梁和质量块因惯性力的作用 , 相对外壳位置发生上下变化 , 使 遮挡光的面积变化,反射回的光强也就发生变化。通过检测接 收光纤的光强可以获得光斑位置的变化,从而得到加速度的信 息。
分布式光纤传感技术在结构应变及开裂监测中的应用研究
分布式光纤传感技术在结构应变及开裂监测中的应用研究分布式光纤传感技术在结构应变及开裂监测中的应用研究引言：在建筑结构应变及开裂监测中，传统的监测方法往往仅能对局部区域进行监测，并且需要大量传感器分布在不同位置上，增加了监测和维护的成本。
分布式光纤传感技术的出现，通过将光纤作为传感器进行布置，实现了对整个结构的应变及开裂监测，从而提高了监测的精确度和可靠性。
本文将重点研究分布式光纤传感技术的原理、应用和发展，并且通过实验验证了其在结构应变及开裂监测中的应用效果。
一、分布式光纤传感技术原理分布式光纤传感技术利用光纤中的拉曼散射效应或布里渊散射效应来实现对结构应变及开裂的监测。
其中，拉曼散射效应是通过测量光纤方向上的散射光强变化来获得结构应变信息，而布里渊散射效应是通过测量光纤中的声子振动来获得结构应变及开裂信息。
二、分布式光纤传感技术的应用1. 结构应变监测：通过将光纤沿结构布置，并进行激光信号的传输与接收，可以实时获得结构各点处的应变信息。
与传统传感器相比，分布式光纤传感技术具有布置方便、覆盖范围广等优势，可以全面监测结构的应变状态，提前发现潜在问题，并采取相应的维护措施，保证结构的安全性和稳定性。
2. 结构开裂监测：分布式光纤传感技术可以通过监测光纤中声子振动的变化来判断结构是否存在裂纹。
当结构发生开裂时，声子振动频率会发生变化，通过对光纤中信号的分析，可以准确地判断结构的开裂情况和位置。
这种方法具有实时性强、精度高等优点，可以及时发现结构开裂问题，避免潜在的安全隐患。
三、分布式光纤传感技术在实验中的应用验证为了验证分布式光纤传感技术在结构应变及开裂监测中的应用效果，我们设计了一系列实验。
首先，在实验室条件下搭建了一个模拟的混凝土结构，并在结构上布置了光纤传感器。
然后，通过人工施加应变和开裂，记录分布式光纤传感器获得的数据。
最后，对数据进行分析，验证该技术在结构应变及开裂监测中的准确性和可靠性。
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分布式光纤振动传感技术及发展动态 朱燕;代志勇;张晓霞;刘宏明;黄春阳 【摘 要】Vibration sensors play an important role in many fields, such as engineering structural safety monitoring, pipeline maintenance and earthquake monitoring. It always spends many human and material resources as well as much time. The distributed optical fiber vibration sensor is superior to the traditional vibration sensor in many aspects. In recent years,it becomes a research hotspot in the field of fiber optical sensors. The distributed optical fiber vibration sensor has a good prospect. This paper introduces some related technologies of the distributed optical fiber vibration sensors. Development tendency and application fields are also predicted.%从工程结构安全监测到输油管线的维护以及地震监测,振动传感器发挥着重要作用,可以实现以往需要大量人力物力和时间的监测.而分布式光纤振动传感器具有许多优于传统振动传感器的地方,应用前景广阔,近年来成为光纤传感领域的研究热点.本文主要介绍了分布式光纤振动传感器的实现方法与相关技术,并展望了分布式振动传感技术未来的发展方向和应用领域.
【期刊名称】《激光与红外》 【年(卷),期】2011(041)010 【总页数】4页(P1072-1075) 【关键词】光纤光学;分布式光纤振动传感;干涉;光时域反射 【作 者】朱燕;代志勇;张晓霞;刘宏明;黄春阳 【作者单位】电子科技大学光电信息学院,四川成都610054;电子科技大学光电信息学院,四川成都610054;电子科技大学光电信息学院,四川成都610054;电子科技大学光电信息学院,四川成都610054;电子科技大学光电信息学院,四川成都610054
【正文语种】中 文 【中图分类】TP212.4+4
1 引言 光纤传感技术［1－3］以其无可比拟的优点在20世纪70年代迅速崛起，经过几十年的研究和发展已经广泛用于多个领域。因其耐腐蚀，抗电磁干扰等优点与传统的机电传感系统相比，更适于恶劣环境中检测信息。而分布式光纤传感技术使得沿布设路径上的光纤可全部成为敏感元件，具有实时获取整个传感区域内被测量的分布信息。将传输和传感合二为一，减少了布设敏感元件的成本。它可以精确测量沿光纤上任一点的温度［4］、振动等信息，实现对故障点或扰动点的定位。 分布式光纤振动传感器［5］是分布式光纤传感的一个重要分支，利用光波在光纤中传输时相位、偏振等对振动敏感的特性，连续实时地监测光纤附近的振动，具有很好的应用前景。根据传感原理，分布式光纤振动传感技术主要可分为基于干涉原理和基于后向散射探测技术两类。本文主要从以上两个方面综述分布式振动传感器的主要实现技术和发展动态。 2 分布式干涉型传感技术 分布式干涉型光纤振动传感器是分布式振动传感器的重要解决方案，其优点是灵敏度高，响应速度快，检测和解调过程相对简单。分布式干涉型振动传感器主要有M－Z型和Sagnac型。 2．1 M－Z型干涉仪光纤振动传感器 基于 Mach-Zehnder干涉仪［6］的振动传感器的光路如图1所示，由光源，光纤，耦合器 G，H，F，探测器PD1和PD2组成。LD发出的光经过3dB耦合器后分成两束，其中一束由左向右通过M－Z干涉仪到达PD2，而另一束光从右至左到达PD1，光路设计要求在无振动信号时两束光的光程相等。 图1 基于Mach-Zehnder干涉仪的振动传感器的光路结构图
从而实现了振动点的定位。 M－Z型光纤振动传感器的优点在于灵敏度高，缺点是结构中需要一个参考光纤，环境对其影响较大，导致测量的不稳定，限制了这种传感器的应用。 2．2 Sagnac型干涉仪光纤振动传感器 分布式Sagnac干涉型［7］光纤振动传感器是光束经过耦合器形成两路相向传输的光波，经过完全相同的光路，在探测器发生干涉。在温度或振动等外界因素作用下是的两束光产生一定的相位差。假设在P处存在振动信号，P到光纤环的几何中心点O的距离为d，两路光波在探测器处发生干涉时的相位差的Taylor展开为:
当外界振动信号作用于传感臂时，两臂之间产生了相位差，PD1与PD2探测到的信号之间存在的时间延迟时为τ，假设光纤的折射率为n，则振动的位置: 从式(2)可以看出，相位调制信号同时决定于振动位置d和振动信号随时间变化的乘积，所以在单Sagnac干涉仪中，时域解调不能得到d的值，为了解决这个问题，人们提出了很多技术方案，包括对解调方法的改进和光路设计方面的改进。 其中的双Sagnac系统［8］能够有效地解决振动定位问题。其光路结构如图2所示，使用了两个Sagnac干涉环，扰动对应于两个环的不同位置，通过求解相应的解调信号，并对比幅度就可以解出距离信息。 图2 双Sagnac干涉环的振动传感系统光路结构图 此系统采用波分复用WDM来构成双Sagnac结构。光源LD1和探测器PIN1构成一个中心波长为λ1的Sagnac环，而光源LD2和探测器PIN2构成一个中心波长为λ2的Sagnac环。当振动发生时，两个环路中的相位差之比:
式中，L代表传感光纤的长度，由式(3)可以提取出具体的距离信息。 采用Sagnac结构的光纤振动传感器与M－Z结构相比较最大的优点在于Sagnac结构中项干涉的两路信号在同一个环路中传输，避免了环境的影响。 3 基于OTDR的分布式传感技术 由于光纤纤芯的折射率起伏，光在其中传输时会发生瑞利散射。一旦外界有振动信号作用于光纤，将会导致振动点处的光纤折射率发生变化，那么探测到的瑞利散射光的特性(光强、偏振态、频率、相位等)也会随之变化，据此确定振动的大小，根据回波时间确定振动位置，空间分辨率由脉冲宽度决定。这就是OTDR技术［9］测量振动的基本原理。 3．1 偏振光时域反射型(POTDR)振动传感器 POTDR技术［10］是在 OTDR基础上发展起来的，是通过测量光纤中的后向瑞利散射来测定偏振态演化的一种技术。由于光纤中光波的偏振态对外界比较敏感，因此可以利用光偏振态来测量振动。POTDR系统的光路结构如图3所示，当脉冲光入射进光纤，经起偏器起偏为偏振光，经耦合器进入待测光纤，后向瑞利散射由环行器进入偏振分束器，分成偏振态正交的两路偏振光，通过两个光电探测器检测这两路偏振态的光强变化定位振动点。 图3 POTDR结构示意图 当光纤振动时，光纤中特定方向的折射率会发生变化，产生感生双折射效应，从而使得入射到振动光纤中的光的偏振态发生改变，而后向瑞利散射光会保持散射点的偏振态不变，这样通过对比振动前与振动后的两偏振态的光强变化，就能分析出第一个扰动点的位置，实现分布式振动传感。但对于有多个振动点，可能会淹没在首个振动点后的偏振态抖动中，如果要实现多点定位，POTDR还有许多问题需要研究。光的偏振特性易受各种随机因素的影响，所以POTDR还需要解决的一个关键问题就是如何保持偏振态的稳定性。 3．2 布里渊光时域反射型(BOTDR)振动传感器 基于布里渊散射效应的光纤振动传感器［11］是根据光纤应变引起的布里渊散射的斯托克斯光的频移量发生变化来实现振动测量的。光纤中的布里渊散射相对于泵浦光有一个频移量，通常称为布里渊频移，其大小由下式给出:
式中，fB为布里渊频移;λ为泵浦光的波长，当λ=1550 nm时其典型值为11 GHz;n为光纤纤芯折射率;νa为声速。n和νa的两个因子都受温度和振动的影响，如果能够控制温度恒定不变，或者能够得知温度变化的影响，即可作为振动传感器。 在自发布里渊散射时，除了布里渊信号的频移，散射光功率也与光纤所处的环境温度和所承受的应变在一定条件下呈线性变化的关系，所以只要检测布里渊散射光的频移和布里渊散射功率，就可以实现布里渊信号的频移和散射光功率两个参量的同时测量。 BOTDR双参量测量系统的结构如图4所示。 图4 BOTDR双参量测量系统的结构图 由于BOTDR接收的是自发布里渊散射光，光功率较弱，和瑞利散射光的频谱间隔只有11 GHz左右，所以系统采用光相干检测技术［12］，可以同时完成放大信号和提取布里渊散射光信号从而实现对振动的测量。该技术的主要难度在于BOTDR中微弱的布里渊散射光的检测，并且布里渊频移很小，测量频移的难度比较大。为了获得较好的信噪比，可以考虑利用受激布里渊散射来进行分布式测量。 这种技术的优点在于:光学相干检测和电外差都可以很容易实现;测量分辨率高;技术的使用性强。目前，国外已有利用BOTDR技术测量振动的产品出售，一般能够达到10m的空间分辨率，但在我国对这一技术的研究还非常欠缺，在理论、实验以及系统性能改进等方面还有大量的工作要做。 3．3 相位敏感的光时域反射型(φ－OTDR)振动传感器 在φ－OTDR系统中，如果光源的线宽足够窄，相干度很高，那么从光纤的不同部分返回的散射光会发生干涉。φ－OTDR能够探测出传统OTDR系统无法察觉到的微弱信号。其系统结构如图5所示，窄线宽光脉冲经过耦合器进入光纤，其后向瑞利散射光由探测器检测，经采集后送入信号处理设备。 图5 φ－OTDR系统结构图 探测器接收到的曲线是时间－光强图。当某一时刻有振动干扰时所探测到相应位置的光强信息将与前一时刻无扰动时探测到的光强不同，而其他位置探测到的光强相同，没有产生变化，所以可以通过将当前中φ－OTDR后向瑞利散射信号与其前一时刻的后向瑞利散射信号相减来检测由于光纤振动产生的光强差异，由时间定位振动位置。 φ－OTDR不仅对外界微弱信号有敏锐的感知，在原理上来讲还可以实现多点定位。此系统中需要窄线宽的激光器，这是系统能够响应光相位变化的基本条件，为了尽量避免φ－OTDR后向散射曲线发生抖动，要求激光器具有极小的频率漂移。 4 分布式光纤振动传感器的发展方向及应用 目前的分布式振动传感器基本上是探测光纤轴向信息的一维传感器，随着探测范围和信息量的增大，二维的分布式光纤传感网络是光纤传感器发展的一个重要方向。尽管各种分布式光纤振动传感器的机理都相对成熟，但其面向实际应用还存在很多问题，包括传感器系统的成本和可靠性。 分布式光纤振动传感器可以主要用于桥梁、隧道等大型设施的安全监测，能够实时