【正文】 度的提高和成本的降低等也是分布式光纖傳感技術的另一發(fā)展方向。 光纖傳感技術國內(nèi)外研究現(xiàn)狀光纖傳感技術是上世紀80年代，伴隨著光通信技術的發(fā)展而逐步發(fā)展起來的新興技術，由于具有抗電磁干擾能力強、靈敏度高、電絕緣性好、耐腐蝕、安全可靠、可構成光纖傳感網(wǎng)絡等諸多優(yōu)勢，在航海航天、石油開采與傳輸、儀表儀器、醫(yī)療器械、水利水電、橋梁建筑、核工業(yè)、安全防護等眾多領域均有廣闊的應用前景，成為當今極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g之一，國內(nèi)外很多公司和科研機構都開展了這方面的研究工作。在國外，美國對光纖傳感技術的研究最早，投資最大，僅1983年就投入億美元，主要的研究機構有美國海軍研究所、國家宇航局（NASA）、西屋電器公司、斯坦福大學等，主要研究方向有6個：光纖傳感系統(tǒng)（FOSS）、現(xiàn)代數(shù)字光纖控制系統(tǒng)（ADOSS）、光纖陀螺（FOG）、核輻射監(jiān)控（NRM）、飛機發(fā)動機監(jiān)控（AEM）、民用研究計劃（CRP）。值得一提的是，美國這些科研機構在大力開展光纖傳感技術的實驗室研究的同時，還特別注重光纖傳感技術的實際開發(fā)與運用，著重研究光纖傳感器的工業(yè)化生產(chǎn)技術，并達到了較高的水平，迅速形成具有競爭力的新興產(chǎn)業(yè)。日本在20世紀80年代制定了“光應用計劃控制系統(tǒng)”7年規(guī)劃，投資達70億美元，規(guī)劃的主要目標是解決強電磁干擾和易燃、易爆等惡劣條件下的信息測量、傳輸和全過程控制問題。在日本光產(chǎn)業(yè)振興協(xié)會的組織協(xié)調(diào)下，由住友電工、東芝、日本電氣、東京大學等十五家公司和研究機構組成的研究開發(fā)集團，經(jīng)幾年的努力，開發(fā)出具有一流水平的民用光纖傳感器，如可視圖像監(jiān)視光纖傳感器、光纖流量傳感器、波長掃描型光纖溫度傳感器等，這些產(chǎn)品很快便形成了一定規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，并在市場上得到了廣泛的應用。在歐洲，英國的標準電訊公司、牛津大學、南安普頓大學、法國的湯姆遜公司、德國的西門子公司等公司和大學也對光纖傳感技術投入了大量經(jīng)費進行研究。隨著工藝水平的提高以及計算機技術在光纖傳感技術中的應用，基于光纖傳感技術的光纖傳感系統(tǒng)的可靠性、靈敏度等相應技術指標也有很大提高，光纖傳感系統(tǒng)正逐步從實驗室走入市場[[] Juan C J, Eric W M,Kyoo N C. Distributed FiberOptic Intrusion Sensor System. Journal of Light wave ,23（6）：20812087.]。目前，美國、西歐和日本已經(jīng)開發(fā)出了許多光纖傳感系統(tǒng)的商用產(chǎn)品，例如澳FFT（Future Fiber Technologies）公司的用于邊界監(jiān)測的Secure Fence系統(tǒng)、以色列MAGAL集團公司IntelliFiber振動傳感光纜探測系統(tǒng)、英國Sensa公司的用于測量光纖沿線溫度變化的光纖線性測溫系統(tǒng)、美國MOI（MICRONOPTICSINC）公司的基于OTDR技術的分布式傳感系統(tǒng)等。在國內(nèi)，我國對光纖傳感技術的研究也很重視，1983年召開了光纖傳感技術的第一次全國會議，并在“七五”規(guī)劃中提出了15項光纖傳感技術項目，其中有光纖放射線探測儀、光纖位移傳感器、光纖陀螺、集成光學傳感器、醫(yī)用光纖傳感器、光纖傳感器用的有源、無源器件的研制。之后國家發(fā)展計劃委員會和科學技術部于1999年制定的《當前優(yōu)先發(fā)展的高技術產(chǎn)業(yè)化重點領域指南》以及2001年對該“指南”進行的修訂都把光纖傳感技術為重點發(fā)展的內(nèi)容之一。目前國內(nèi)光纖傳感技術的主要研究工作在高校和研究所進行，如南京航空航天大學、華中科技大學、西安交大、南開大學、復旦大學、中科院物理所、核工業(yè)總公司九院、核工業(yè)總公司九院等單位。研究領域主要集中在光纖溫度傳感、壓力傳感、流量、電壓、位移、振動、光纖陀螺以及利用光纖傳感系統(tǒng)對材料和結構的健康狀況進行監(jiān)測等，并已取得了一定的實驗成果，其中相當數(shù)量的研究成果具有很高的使用價值，有的甚至達到了世界先進水平。不過由于基礎薄弱、工藝水平低和相關技術的落后，大多數(shù)產(chǎn)品或處于實驗室研制階段，我國的光纖傳感系統(tǒng)技術與這些發(fā)達國家相比有較大的差距，且商業(yè)化水平不高。因此，我們應該加大對光纖傳感技術研究、開發(fā)的投入，縮短我國光纖傳感技術與外國的差距，促進我國儀器儀表工業(yè)和光纖傳感系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 分布式光纖振動傳感技術的應用分布式光纖振動傳感器作為分布式光纖傳感技術的一個重要分支，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。由于具有抗雷電、電磁和射頻干擾，耐高溫高壓、耐化學腐蝕，靈敏度高，價格便宜，能在易燃、易爆的惡劣環(huán)境中工作，布置靈活等優(yōu)點，在軍事和民用方面都有廣泛地應用[[] 秦培林，楊春森. 光纖振動傳感器在安防周界中的應用. 裝備制造技術,2005,（4）：1113.]。在軍事運用方面，在一些重要的軍事基地、監(jiān)獄和國界邊境線上，傳統(tǒng)的防范措施是在這些區(qū)域的外圍周界處設置一些屏障，如圍墻、柵欄、鋼絲網(wǎng)、視頻監(jiān)控等，并安排人員巡邏。但是柵欄會受到人為的破壞，人力防范往往受到時間、地域、人員素質和精力等因素的影響，難免出現(xiàn)漏洞和失誤，而視頻監(jiān)控中若采用定點監(jiān)控則監(jiān)控范圍小，采用連續(xù)掃描則會造成資源浪費，此外還易受安裝環(huán)境影響，存在監(jiān)控盲區(qū)。分布式光纖振動傳感技術能克服上述的問題，在周界安全防護中形成一道人眼看不到的“電子圍墻”。在軍事航空領域，在機翼中埋入分布式光纖振動傳感器，用于動態(tài)振動信號的測試，它既不影響飛行時空氣動力學性能，又能實時、充分、安全地提供機翼振動信息。試驗表明，當翼型變化角度攻擊時，該光纖傳感系統(tǒng)能成功的監(jiān)測翼體動力學不穩(wěn)定現(xiàn)象[[] 徐海偉，曾捷，梁大開等. 可變體機翼多物理場分布式光纖集成測試技術. 航空科學技術,2011（,1）：4245.]。在民用方面，可用于橋梁、隧道等大型設施的安全監(jiān)測，實時地得到斷裂或破損導致的振動信號，判斷結構損壞的情況，同時有效地給出發(fā)生損害的位置，從而能及時的進行交通疏導和修復。除此之外還可用于油氣管道的自然形變或人為挖掘等破壞情況的監(jiān)控[[] 胡志新，張陵，喬學光等．分布式光纖布拉格光柵在油氣管道檢測中的應用．應用學．2000, 21（4）：3537.]，一些高級別墅、酒店的安防警戒，地震災害的預警等。目前，分布式光纖振動傳感技術已經(jīng)在軍事國防、大型工礦、民用安防、橋梁隧道監(jiān)測等多個領域有著成功的應用，在加強國境防范、提高能源安全、改善社會治安，安全監(jiān)測等方面顯示了不可替代的巨大優(yōu)勢。隨著分布式光纖振動傳感技術的不斷進步以及安防產(chǎn)業(yè)和智能監(jiān)測的發(fā)展，勢必將在日后的國防工業(yè)和日常生活的更多方面有著更加廣泛地應用。 論文的主要內(nèi)容綜上所述，分布式光纖振動傳感技術由于具有實時無盲區(qū)檢測等優(yōu)勢，在國防工業(yè)等領域極具應用潛力，很有必要對其實現(xiàn)進行系統(tǒng)的研究。本論文主要研究基于分布式光纖振動傳感技術的光纖振動傳感系統(tǒng)的原理及具體實現(xiàn)，主要內(nèi)容包括以下內(nèi)容：在第一章中介紹了本課題的選題背景及意義，分布式光纖傳感技術的發(fā)展概況、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及應用方向；在第二章中介紹了分布式光纖傳感技術的基本原理、特點以及分布式光纖傳感器分類及常見的幾種類型的介紹，特別是對干涉法中的幾種干涉技術作了詳細的介紹和比較；在第三章中介紹了光相位調(diào)制原理，重點介紹了基于該原理的MZ干涉型分布式光纖傳振動感器系統(tǒng)的結構設計；在第四章中介紹了分布式光纖振動傳感系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的設計及具體實現(xiàn)，主要包括PCI6115數(shù)據(jù)采集卡以及基于LabVIEW軟件的分布式光纖檢測系統(tǒng)設計的實現(xiàn)；在第五章介紹了基于MZ分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的原理性實驗和擾動檢測實驗，并對實驗的數(shù)據(jù)用MATLAB進行進一步的分析和處理；在第六章中對全文進行了總結，闡述了系統(tǒng)的改進措施，并對今后工作進行展望。第二章 分布式光纖傳感技術研究 分布式光纖傳感技術的原理和特點分布式光纖傳感技術利用光纖同時作為傳感敏感元件和傳輸信號介質，應用光纖幾何上的一維特性，把被測量（如溫度、壓力、磁場、電場、位移等）作為分布光纖位置長度的函數(shù)，在整個光纖長度上對沿光纖幾何路徑分布的外部物理參量進行連續(xù)實時的測量。具體原理路徑是通過被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M行調(diào)制，使傳輸光的強度、相位、頻率或者偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，再通過對被調(diào)制的光信號進行檢測，從而獲得被測量在空間和時間上的信息。確切的說，它可以精確測量光線沿線上任意一點的溫度、應力、彎曲、振動等信息。如果把光纖縱橫交錯連接成網(wǎng)狀，則可以構成規(guī)模龐大的地毯式監(jiān)測網(wǎng)，實現(xiàn)對目標的全方位的檢測。分布式光纖傳感技術不僅具有一般光纖傳感器的特點，而且充分利用了光纖空間連續(xù)分布的特點，可以實時獲得光纖分布路徑上被測量的時間和空間分布信息，成功地解決了其他類型傳感器在很多重大應用場合難以勝任的問題，充分顯示出分布式光纖傳感技術的優(yōu)越性和極為廣泛的應用前景。一般地，分布式光纖傳感技術具有以下基本特征：（1） 分布式光纖傳感系統(tǒng)中的傳感元件僅為光纖；（2） 整個傳感光纖長度內(nèi)，其探測靈敏度具有一致性，而且靈敏度高，穩(wěn)定性好；（3） 抗雷電、電磁干擾，耐高溫高壓，耐化學腐蝕，能在易燃、易爆的惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作；（4） 信號處理系統(tǒng)一般具有較高的信噪比，可檢測檢測較微弱的傳感信號；（5） 一次測量就可以獲取整個光纖區(qū)域內(nèi)被測量的一維分布圖，若將光纖架設成光柵狀，還可以測定被測量的二維和三維分布情況。 分布式光纖傳感器的分類目前，分布式光纖傳感器的種類很多，根據(jù)監(jiān)測空間范圍不同，分布式光纖傳感器可以分為準分布式光纖傳感器和全分布式光纖傳感器兩類。分布式光纖傳感器還可以按照所使用的技術方法分類，主要有光時域反射法（OTDR）、干涉法、波長掃描法、連續(xù)波調(diào)頻法[[] 何存富，杭利軍，吳斌．分布式光纖傳感技術在管道泄漏檢測中的應用．, 25（9）：814.]。其中波長掃描法以自然光照射保偏光纖，利用FFR算法來確定模式耦合系數(shù)的分布。當高雙折射保偏光纖受到外部擾動作用時，就會引起相位匹配的模式耦合，光的一部分從一種模式轉換為另一種模式。由于本征模以不同的速度在光纖中傳播，從藕合點到光纖輸出端之間的相位變化與光程成正比，所以只要從兩個本征模的相對幅度的大小，就可以得到被測量的信息。該方法分辨力高，光源成本較低。但由于整個系統(tǒng)測量范圍小，系統(tǒng)成本昂貴，不利于實用化。而連續(xù)波調(diào)頻法屬于光頻域反射技術，起步較晚，應用不廣泛。因此，實際上主要應用的分布式光纖傳感技術是OTDR法和干涉法，下面將對這兩種方法作詳細介紹。 基于OTDR的分布式光纖傳感器目前，光纖分布式傳感技術中發(fā)展最快最成熟的是基于光纖后向散射光損耗時域檢測技術的光時域反射技術（Optical Time domain Reflection）。光時域反射技術（OTDR）的原理圖如21所示，由光源發(fā)出的光在沿光纖向前傳輸?shù)倪^程中產(chǎn)生后向散射，后向散射光強在向后傳播過程中會隨著距離增長而按一定規(guī)律衰減，而在光速不變的情況下，距離與時間成正比，因此，根據(jù)探測器探測到的后向散射光強及其到達探測器的時間，就可以知道沿光纖路徑上任意一點的初始后向散射光強。圖 21 光時域反射技術原理圖光脈沖進入光纖后產(chǎn)生后向散射光包括與泵浦激光相同波長的彈性散射光瑞利（Rayleigh）散射光，以及與泵浦激光波長不同的非彈性散射光拉曼（Raman）散射光和布里淵（Brillouin）散射光。這些散射光的物理特征量（光強、偏振態(tài)、頻率等）將隨著外界環(huán)境干擾而改變，再結合光時域反射技術由回波時間確定環(huán)境干擾發(fā)生位置，由此獲得待測參量的空間分布。目前應用光纖后向散射技術的光纖傳感器己有：（1）基于OTDR的微彎應力傳感器光纖的彎曲會引起傳輸光損耗的增加，而且曲率半徑較小的微彎比曲率半徑較大的漸彎造成的光損耗大得多。如果對光纖結構加以改進，加強外界作用能量的傳遞，當光纖某一位置受到外界應力作用時，將引發(fā)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庑盘柕奶匦愿淖?，因而測量光纖沿線損耗的空間分布即可測量外界的應力場分布[[] 李尚俊，劉永智．分布式光纖應力、應變傳感技術. 半導體光電，1999，20（6）：377—381]。（2）基于自發(fā)拉曼散射的ROTDR傳感器當光信號進入光纖時，產(chǎn)生的自發(fā)拉曼散射光波長將相對于入射光波長發(fā)生改變，其中的斯托克斯（Stokes）散射光波長將向長波長偏移，而反斯托克斯（AntiStokes）散射光將向短波長偏移。這兩種散射光中，AntiStokes光對溫度更為敏感，可用作測量光。結合光時域反射技術，光纖沿線溫度場的分布便可由光纖中AntiStokes散射光強的變化值獲得[[] Mostafa Ahangrani Farahani and Torsten Gogolla，Spontaneous Raman Scattering in Optical Fibers with Modulated Probe Light for Distributed Temperature Raman Remote Sensing，Journal of Light wave Technology. 1999,17（8）：13791380]。（3）基于自發(fā)布里淵散射的BOTDR傳感器光纖中產(chǎn)生的自發(fā)散射光包括自發(fā)布里淵散射光，而外界的作用將使布里淵散射光將產(chǎn)生頻移，其頻移量與外界作用參量的大小相關。由于自發(fā)布里淵散射頻移量較小，不利于檢測，并采用光頻移環(huán)路實現(xiàn)了單光源的相干自外差檢測，為基于自發(fā)布里淵散射的分布式檢測技術提供了可行的解決方案[[] 耿軍平，許家棟，韋高等．基于布里淵散射的分布式光纖傳感器的進展. 測試技術學報,2004，16（2）： 8791.]。（4）基于瑞利（Rayleigh）散射的POTDR傳感器當光纖振動時，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，從而使得入射到振動光纖中的光的偏振態(tài)發(fā)生改變，而后向瑞利散射光會保持散射點的偏振態(tài)不變，這樣通過對比振動前與振動后的兩偏振態(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鍵問題就是如何保持偏振態(tài)的穩(wěn)定性[[] 李香華,代