全光纤分布式振动传感技术研究

全光纤分布式振动传感技术研究

分布式光纤传感技术是２０世纪７０年代末伴随着光纤传感技术和光纤通信技术的发展而迅速发展起来的。

分布式光纤传感技术由于能够获得被测物理场沿空间和时间上的连续分布信息，因而非常适合用于长距离干线的监测。

目前，这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。 当前，我国对于油气管道、电网、通信网等基础设施的监测主要是依据设施自身的一些生产参数（如压力突降、中间站油罐液位的不正常变化）和人工巡视、路人的报告等手段。

这些手段技术含量低，普遍存在效率低、实时性差、反应时间长、抗干扰能力差等缺陷。

常常是监测设施遭受破坏后才能报警，实用性受自然和人为双重因素的制约。这种“亡羊补牢式”的事后检测技术，只能减少而不能避免损失。

对长距离通信干线的监测，特别是受电磁干扰的影响，不可能实施依靠电的方式进行传感监测。

因此，光纤传感技术将成为进行电力、通信和油气管道等行业的安全监测和预防人为破坏的主要技术手段。

但大多数光纤传感系统基于点传感器，这样覆盖大区域或长距离就需要布设大量传感器，导致系统成本和复杂性升高，使应用受限，甚至无法实施。

相比之下，分布式光纤传感技术由于传感器布设数量较少，系统相对简单，因此具有更好的应用前景。

但目前国际上已开发并商品化的分布式技术较少，且其中多数采用的是温度传感器，而能够准确定位的更是少数。

同时，受限于测量低功率短光脉冲反向传输时间的计时要求（大多数基于时域反射计，即ＯＴＤＲ技术）.

多数技术只能进行静态或参数变化很少的监控，系统应用范围狭窄，缺乏实用性。

而对于干线安全监测系统来说，必须获得实时的、半静态或动态的监测信息及其发生位置，特别是ＯＴＤＲ技术无法检测的瞬间事件。

基于以上考虑，我们提出一种新型的干涉型分布式光纤传感系统.

通过一系列信号处理过程，此系统可动态实时地对加诸于传感光纤上任意大小的振动信号进行准确定位，具有广泛的应用前景。

光纤传感器简介

近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。

在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤传感器是２０世纪７０年代伴随着光导纤维和光纤通讯技术的发展而迅速发展起来的。

光纤以其传输损耗小、保密性高、传输带宽大的优点而被广泛应

用于通信系统中，除此之外，光纤也可用来作为传感器方面的设计。

光纤作为感受外界信号的承受体可以感应温度、位移、电场、应力等的变化。

而这些变化则表现为光纤内部结构的某些微观或者介观结构的变化，故在其中传输的光信号也受到影响：

传统的传感器以应变＿电量为基础，以电信号为转换及传输的载体，用导线传输电信号，因而使用时受到环境的限制；

光纤传感器则是以光信号为变换和传输的载体，利用光纤传输光信号，其优点在于：

１）光纤是由石英玻璃制成的，是一种介质、绝缘体，且耐高压、耐腐蚀，能在易燃易爆的环境下可靠运用；

２）光纤为无源器件，对被测对象不产生影响：

３）光纤体积小，重量轻，可做成任意形状的传感器阵列： ４）光纤传感器的载体是光，其频率数量级为１０１４Ｈｚ，从而使传感器频带范围很宽，动态范围很大，且不受电磁场干扰；５）具有极高的灵敏度和分辨率。

所有这些，都是普通传感器所无法比拟的。

光纤能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用。

而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

而且在当前数据业务爆炸式增长，通信道路越来越拥挤的情况

下，以光替代电作为传输手段也是趋势。

因此，光纤传感技术将成为进行电力、通信和油气管道等行业的安全监测和预防人为破坏的主要技术手段。

美国是研究光纤传感器起步最早、水平最高的国家，在军事和民用领域的应用方面，其进展都十分迅速。

在军事应用方面，研究和开发主要包括：

用于水下探测的光纤传感器、用于航空监测的光纤传感器、光纤陀螺、用于核辐射检测的光纤传感器等，这些研究都分别由美国空军、海军、陆军和国家宇航局（ＮＡＳＡ）的有关部门负责，并得到许多大公司的资助。

美国也是最早将光纤传感器用于民用领域的国家，如运用光纤传感器监测电力系统的电流、电压温度等重要参数，监测桥梁和重要建筑物的应力变化，检测肉类和食品的细菌和病毒等。

日本和西欧各国也高度重视光纤传感器的研究，并投入大量经费开展光纤传感器的研究与开发。

日本在２０世纪８０年代便制定了“光控系统应用计划”，该计划旨在将光纤传感器用于大型电厂，以解决强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中的信息测量、传输和生产过程的控制。

２０世纪９０年代，由东芝、日本电气等１５家公司和研究机构，研究开发出１２种具有一流水平的民用光纤传感器。

西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光纤传感器的研发和市场竞争，其中包括英国的标准电讯公司、法国的汤姆逊公司和德国

的西门予公司等。

我国在２０世纪７０年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差不远。

目前已有上百个单位在这一领域开展工作，主要集中在各大高校和研究院所，其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值，有的达到世界先进水平。

光纤传感器一般由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器及解调器组成，其基本原理是将光源的光经入射光纤送入调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质（如强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。

光纤传感器按传感原理可分为两类。

一类是传光型（或称非功能型）传感器，另一类是传感型（或称功能型）传感器。

在传光型光纤传感器中，光纤仅作为光的传输媒质，对被测信号的感觉是靠其它敏感元件来完成的。

这种传感器中出射光纤和入射光纤是不连续的，两者之间的调制器是光谱变化的敏感元件或其它性质的敏感元件。

在传感型光纤传感器中光纤兼有对被测信号的敏感及光信号的传输作用，将信号的“感”和“传”合而为一，因此这类传感器中光纤是连续的。

按信号在光纤中被调制的原理不同，光纤传感器可分为强度调制

型、相位调制型、偏振态调制型、频率调制型、波长调制型等。

即属于相位调制型光纤传感器范畴。相位调制型传感器的原理是将外界信号作用到干涉仪上。

干涉仪上测量臂传输的光与参考臂的参考光互相干涉（比较），使输出的光的相位发生变化，通过对相位的解调就可检测出外界信号的变化。

光纤中传输的相位受外界影响的灵敏度很高，利用干涉技术能够检测出任意大小相位变化所对应的物理量。

利用光纤的可绕性和低损耗，能够将很长的光纤盘成直径很小的光纤圈，以增加利用长度，获得更高的灵敏度。

从基本作用来分类，光纤传感器可以划分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤应变传感器等等网，分别可以感知外界的温度、位移与应变的大小。

如果外界物理量的变化为振动信号，则传感器中光纤作为感应承受体发生内部应变，从而使得光信号的强度或相位发生变化，因此起到了传感器的作用。

在本文中将这一类的光纤传感器统称为光纤振动传感器，测量外界应变、振动都可以归为这一类。

另一种分类方法，如果整段的光纤作为感应外界信号的受体，则称为分布式光纤传感。

这是一种利用光纤几何上的一维特性进行测量的技术，将被测量作为光纤位置长度的函数。

可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续的测量：

若只有其中部分光纤（通常进行了部分改造如引入光纤光栅）作为感应受体。

则是点传感器，要感应整个光纤分布线上的情况则需采用布点的方法。本文要讨论的是分布式光纤传感技术。

在这几十年里，国内外许多研究机构和公司都投入了大量人力物力财力进行这方面的研究，分布式光纤传感技术得到快速发展，基于各种原理的分布式光纤传感器被开发出来，并且逐渐从实验研究走向实际应用。

目前，这项技术已被应用于航空航天、土木工程、化工、军事、交通等许多领域，已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。

分布式光纤传感技术是指将传感光纤沿场分布，并采用独特的探测技术，去感知光纤传输路径上待测场（如温度、压力）的空间分布和随时间变化的信息。

分布式光纤传感系统的特点是，利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，光纤总线不仅起传光作用，还起传感作用。

分布式光纤传感系统有下列优点：

（１）信息量大。分布式光纤传感系统能在整个连续光纤的长度上，以距离的连续函数的形式传感出被测参数随光纤长度方向的变化。

即光纤任一点都是“传感器”，它的信息量可以说是海量信息。

（２）结构简单，可靠性高。

由于分布式光纤传感系统的光纤总线不仅起传光作用，而且起传感作用。

因此结构异常简单，方便施工，潜在故障少，可维护性好，可靠性高。

（３）使用方便。

光纤埋设后，测点可以按需要设定，可以取２ｍ距离为一个测点，也可以取ｌｍ距离为一个测点等，按需要可以改变设定。

因此，在病害定位监测时极其方便。

（４）性能价格比好。目前，光纤价格不高，一条光纤的测点又可达成百上千个。

因此，每一个测点的价格就远远低于传统单测点的价格，性能价格比相当好。

分布式光纤传感系统相对于电信号为基础的传感系统和点式光纤传感系统而言。

无论是从传感技术的难度、传感量的内容及指标，还是从传感的场合和范围都提高到了一个新的阶段。

分布式光纤温度及应力传感是分布式光纤传感器中研究最活跃的领域，分布式光纤温度传感器在国外已实现商品化。

并用于大型电力变压器、高压电力网、高层建筑等大的或长的设备温度分布测量和监控。

分布式光纤传感器在多层建筑、桥梁、水坝、飞行器、压力容器

等重大结构与设备方面有重要的应用前景。

目前已有利用分布式光纤传感器对静止电缆桥、飞机多层结构冲击探测等方面进行实验的报道。

根据监测空间范围不同，采用分布式光纤传感技术进行测量的分布式光纤传感器可以分为准分布式光纤传感器和全分布式光纤传感器。

准分布式光纤传感器是由多个布置在空间预知位置上的分立的光纤传感器采用串联或其他网络结构形式连接起来，利用时分复用、频分复用、波分复用等技术共用一个或多个信息传输通道所构成的分布式的网络系统。

它可以较精确地同时或分时得到某一或某些空间点上不同的被测量的分布信息，但它只能得到预知离散空间位置上的传感信息，仍存在传感“盲区’’，且在一般情况下其结构较复杂、成本较高。

光纤上的任意一段既是敏感单元又是其他敏感单元的信息传输通道，因而可获得被测量的沿此光纤空间和时间变化的分布信息。

它消除了传统传感器存在的传感“盲区’’，从根本上突破了传统的单点测量限制。

是真正意义上的分布式光纤传感器，大大降低了造价，可以获得较高的性能价格比，因此在监测中被越来越广泛使用。

反射法是利用光在光纤传输过程中产生的后向散射效应进行测量的方法；

波长扫描法是利用保偏光纤在外部扰动作用时发生模式耦合效

应进行测量的方法；

干涉法是利用干涉装置对干涉光路中光波的相位进行解调从而得到被测量信息的方法。

光频域反射法相对于光时域反射法研究较晚，应用范围也不及光时域反射法广。

波长扫描法以自然光照射保偏光纤，利用ＦＦＴ算法来确定模式耦合系数的分布，该方法分辨力高，可达Ｏ．３ｃｍ，但测量范围小，系统成本高，不利于实用化。

干涉法也是目前研究比较广泛的一种技术之一。

在１９７６年提出，是实现分布式光纤传感的关键技术。

ＯＴＤＲ最初用于评价光学通信领域中光纤、光缆和耦合器的性能，是用于检验光纤损耗特性、光纤故障的手段。

其工作机理是脉冲激光器向被测光纤发射光脉冲，该光脉冲通过光纤时由于光纤存在折射率的微观不均匀性，以及光纤微观特性的变化。

有一部分光会偏离原来的传播向空间散射，在光纤中形成后向散射光和前向散射光。

其中，后向散射光向后传播至光纤的始端，经定向耦合器送至光电检测系统。

由于每一个向后传播的散射光对应光纤总线上的一个测点，散射光的延时即反应在光纤总线上的位置。

由于从光纤返回的后向散射光有３种成分：

（１）由光纤折射率的微小变化引起的瑞利（ＲａｙＬｅｉｇｈ）散射，其频率与入射光相同；

（２）由光子与光声子相互作用而引起的拉曼（Ｒａｍａｎ）散射，其频率与入射光相差几十ＴＨｚ：

（３）由光子与光纤内弹性声波场低频声子相互作用而引起的布里渊（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ）散射。

时域反射式分布光纤传感系统按光的载体可分为三种形式： 基于拉曼散射的分布式光纤传感系统、基于瑞利散射的分布式光纤传感系统和基于布里渊散射的分布式光纤传感系统。

当前，前二种形式的研究和应用较多，后一种形式是国际上近年来才研发出来的一项尖端技术，国内研究才刚刚起步。

由于后一种形式可用来测量光纤沿线的应变分布，可以预计，不久在这方面将有所突破，并且前二种形式将发展成更多的应用种类，逐渐向传感的各个领域渗透。

光纤网络布置形式将更趋丰富多样，更趋科学合理。

然而，ＯＴＤＲ系统的监测方式，是利用散射回来的光信号进行观测，但因为散射回来的光信号微弱，故需使用功率高的光源，造成系统的价格昂贵。

此外，受限于测量低功率短光脉冲反向传输时间的计时要求，ＯＴＤＲ技术只能进行静态或参数变化很少的监控，系统应用范围狭窄，缺乏实用性。

而对于干线安全监测系统来说，必须获得实时的、半静态或动

态的监测信息及其发生位置，特别是ＯＴＤＲ技术无法检测的瞬间事件。

为了改善光时域反射仪的缺点，有其他干涉式的分布式传感技术被提出。

干涉式分布光纤传感器相对于ＯＴＤＲ技术的优点是干涉式传感器的动态范围大、灵敏度高，因此，可以实现任意信号的检测。