【正文】 干涉型分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)研究摘 要光纖傳感技術(shù)是上世紀(jì)七十年代末隨著光纖和光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)，代表了新一代傳感技術(shù)的發(fā)展方向。相比于其他傳統(tǒng)的傳感技術(shù)而言，有著巨大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，光纖傳感具有可集成度高、動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)頻帶寬、靈敏度極高且不易受電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)。光纖振動(dòng)傳感是光纖傳感技術(shù)里的新熱點(diǎn)，在軍事、工業(yè)、民用等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本課題，主要是對(duì)基于馬赫曾德干涉原理的分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的研究。本文首先介紹了光纖傳感技術(shù)的發(fā)展以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)分布式光纖傳感器進(jìn)行分類，并特別分析和比較了三種典型的干涉技術(shù)；然后闡述了MZ干涉型光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的相位調(diào)制原理，從整體上對(duì)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。之后完成了基于LabVIEW的分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。最后根據(jù)所設(shè)計(jì)的分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行干擾檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)MATLAB實(shí)現(xiàn)對(duì)采集信號(hào)的分析和處理，以達(dá)到檢測(cè)干擾信號(hào)的目的。關(guān)鍵詞： 分布式光纖傳感技術(shù) 相位調(diào)制 馬赫曾德干涉 LabVIEW 數(shù)據(jù)采集 MATLAB 信號(hào)處理The Research of Distributed Interference Optical Fiber Vibration Sensor SystemAbstractWith the development of optical fiber and optical munication technology, optical fiber sensing is a new and rapidly developing technology in seventy times of last century. It stands for the development direction of a new generation of the optical fiber sensing technology. Optical fiber sensors provide advantages over the existing technologies such as high integration, widely response range, wide frequency band, high sensitivity and immunity to electromagnetic interference. The perturbation sensing technology is a hot spot in the fiber sensing technology. Optical fiber sensing is more and more widely applied in the fields of military, industry and civil. This thesis, the main research is the distributed optical fiber perturbation sensing system based on MachZehnder interferometer.Firstly, this paper introduces the development and research of fiber vibration sensing technology at home and abroad, classifies of distributed optical fiber sensors, and specifically analyses and pares the three typical Interferometry 。 Then, it describes the principle of phase modulation of MZ interference optical fiber vibration sensor system, and designs the structure of the system as a whole. And then pletes the design of distributed optical fiber detective system based on LabVIEW software, to realize the data acquisition of the signal. At last, according to the designed distributed interference optical fiber vibration sensor system, setting up the experimental platform and carrying out the experiment of detect the vibration signal. It can realize the analysis and processing the interfering signal through the software of MATLAB, to achieve the purpose of detect the interfering signal.Key Words：distributed optical fiber sensing phase modulation MachZehnder interference LabVIEW data acquisition MATLAB signal processing目 錄摘 要 iAbstract ii第一章 緒論 1 選題背景及其意義 1 分布式光纖傳感技術(shù)的發(fā)展概況 1 光纖傳感技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)的應(yīng)用 4 論文的主要內(nèi)容 5 第二章 分布式光纖傳感技術(shù)研究 6 分布式光纖傳感技術(shù)的原理和特點(diǎn) 6 分布式光纖傳感器的分類 6 基于OTDR的分布式光纖傳感器 7 基于干涉法的分布光纖傳感器 8 典型干涉技術(shù)介紹和比較 9 典型干涉技術(shù) 9 各類干涉技術(shù)比較 11 本章小節(jié) 12 第三章 基于MZ干涉原理的分布式光纖傳感系統(tǒng) 13 分布式MZ振動(dòng)傳感原理 13 光相位調(diào)制原理 13 光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的相位調(diào)制 18 MZ干涉型分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 本章小結(jié) 20 第四章 基于LabVIEW的分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 LabVIEW概述 21 LabVIEW虛擬儀器簡(jiǎn)介 21 LabVIEW的結(jié)構(gòu) 21 LabVIEW的優(yōu)勢(shì) 23 基于LabVIEW的分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23 數(shù)據(jù)采集原理及采集卡介紹 23 分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 25 本章小結(jié) 30 第五章 基于MZ干涉原理的分布式光纖傳感系統(tǒng)擾動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn) 31 基于MZ分布式光纖傳感系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 31 基于MZ分布式光纖傳感系統(tǒng)擾動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn) 34 原理性實(shí)驗(yàn) 34 干擾信號(hào)以及振動(dòng)頻率的檢測(cè) 34 數(shù)據(jù)處理與分析 36 本章小結(jié) 39 第六章 全文總結(jié)與展望 40 全文總結(jié) 40 系統(tǒng)改進(jìn)及展望 40 參考文獻(xiàn) 44 致 謝 44 第一章 緒論 選題背景及其意義光纖通信技術(shù)與光纖傳感技術(shù)是光電子科學(xué)領(lǐng)域里兩大重要的組成部分。上個(gè)世紀(jì)來(lái)，光纖通信技術(shù)的發(fā)展是日新月異、突飛猛進(jìn)，大傳輸容量、高可靠性的光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在很多發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)進(jìn)入實(shí)用化的階段。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)也取得了巨大的發(fā)展與突波。光纖傳感技術(shù)以光纖作為傳感感應(yīng)元件，可用于檢測(cè)分析振動(dòng)、壓力、溫度、應(yīng)變、加速度、電流、電壓、磁場(chǎng)、頻率、熱感應(yīng)等物理量。經(jīng)過(guò)幾十年的研究和發(fā)展，目前已有一百多種光纖傳感器應(yīng)用于軍事、工程、勘測(cè)、安保、醫(yī)療等多個(gè)方面[參考文獻(xiàn)[] Culshaw B, Dakin J. 光纖傳感器技術(shù). 李少慧，寧雅農(nóng)譯. 武漢：華中理工大學(xué)出版社, .]。我國(guó)對(duì)于光纖傳感技術(shù)的研究始于上世紀(jì)八九十年代，至今也已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。光纖傳感技術(shù)，集成了在光纖技術(shù)、激光技術(shù)和光電探測(cè)等多領(lǐng)域所取得的巨大成就，表現(xiàn)出極具活力的發(fā)展前途，是一個(gè)具有廣闊發(fā)展前景的技術(shù)領(lǐng)域。與其它傳統(tǒng)的傳感技術(shù)相比，光纖傳感技術(shù)有著巨大的優(yōu)勢(shì)。光纖傳感可以不受電磁波的干擾、體積小、重量輕、噪聲低、信號(hào)容量大、反應(yīng)速度快，可靠性高，而且光纖本身既可以作為傳感感應(yīng)元件又可以作為信號(hào)傳輸媒介這一特征，決定了其在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離大范圍的全分布式傳感技術(shù)領(lǐng)域有著無(wú)可替代的地位。分布式光纖傳感技術(shù)，作為光纖傳感技術(shù)的重要組成部分，由于能獲得被測(cè)量在空間和時(shí)間上連續(xù)分布，再加上光纖作為傳感元件具有諸多優(yōu)點(diǎn)，是工業(yè)和研究領(lǐng)域同時(shí)獲取被測(cè)物理參量的空間分布狀態(tài)和隨時(shí)間變化信息的重要手段[[] 范志剛，左保軍，張愛(ài)紅. 光電測(cè)試技術(shù). 北京：電子工業(yè)出版社,.]。因此國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和公司都投入大量人力、物力、財(cái)力進(jìn)行該方面的研究工作，分布式光纖傳感技術(shù)得到了快速發(fā)展，基于各種原理的分布式光纖傳感器被研發(fā)出來(lái)，并且逐漸從試驗(yàn)研究走向?qū)嶋H應(yīng)用。本課題是在前人的研究成果的基礎(chǔ)之上，采用分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)，以期望能夠充分發(fā)揮分布式光纖傳感的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)分布式光纖傳感技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用，同時(shí)結(jié)合相應(yīng)的信號(hào)處理技術(shù)，通過(guò)分析光纖中的信號(hào)變化從而對(duì)入侵區(qū)域進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界擾動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)。根據(jù)該技術(shù)設(shè)計(jì)的分布式光纖傳感振動(dòng)系統(tǒng)可應(yīng)用于周邊警戒領(lǐng)域，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用后在成本上也有一定的優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)這一系統(tǒng)的研究具有很高的科研價(jià)值與商用價(jià)值。 分布式光纖傳感技術(shù)的發(fā)展概況高錕博士于20世紀(jì)60年代在他著名的論文《光頻率的介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》中指出：“只要設(shè)法降低玻璃纖維中的雜質(zhì)，就能夠研制出可用于通信的傳輸損耗較低的光導(dǎo)纖維”。這一預(yù)言，拉開了人類通信史上新的革命的序幕。20世紀(jì)70年代，隨著美國(guó)康寧公司與貝爾實(shí)驗(yàn)室相繼在光纖制作技術(shù)上取得重大突破，光纖作為一種新型的通訊載體逐漸實(shí)現(xiàn)了商用化。自從光纖投入商業(yè)應(yīng)用之后，光纖通信技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展[[] 王文剛. 馬赫曾德分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的研究：[碩士學(xué)位論文]. 武漢：華中科技大學(xué)，2009.]。光纖傳感技術(shù)就是伴隨著光纖及光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一門嶄新技術(shù)。在光通信系統(tǒng)中，光纖被用來(lái)作為遠(yuǎn)距離傳輸光通信信號(hào)的媒質(zhì)，但是，在實(shí)際光傳輸過(guò)程中，光纖易受外界環(huán)境因素的影響，如溫度、壓力、電磁場(chǎng)等的變化，將引起光波量如光強(qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)等光波量的變化，于是，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，通過(guò)檢測(cè)光纖的這些量的變化，就可以獲得相應(yīng)的許多性質(zhì)，用于探測(cè)各種物理量，因而光纖傳感技術(shù)引起了人們的重視，并逐漸成為一個(gè)很有生命力的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，光纖傳感技術(shù)就得到了迅猛的發(fā)展。一般傳統(tǒng)的光纖傳感技術(shù)對(duì)上述的物理量的測(cè)量都是單點(diǎn)測(cè)量，由多個(gè)分布在空間預(yù)知位置上的分立的光纖傳感器，采用串聯(lián)或其它網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式連接形成，利用時(shí)分復(fù)用、頻分復(fù)用、波分復(fù)用等技術(shù)，共用一個(gè)或多個(gè)信息傳輸通道所構(gòu)成的分布式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它可以較精確地同時(shí)或分時(shí)得到預(yù)知位置上被測(cè)量信息的空間分布，還可以同時(shí)得到某一或某些空間點(diǎn)上不同的被測(cè)量的分布信息，但它只能得到預(yù)知離散空間位置上的傳感信息，仍存在傳感“盲區(qū)”，測(cè)量范圍比較小，并且在一般情況下其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本較高。為了解決上述存在地問(wèn)題，全分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它是利用一根光纖作為延伸的傳感元件，光纖上的任意一段既是傳感單元，又是其它傳感單元的信息傳輸通道，因而可獲得被測(cè)量沿此光纖空間和時(shí)間變化的分布信息。而且由于只利用一根光纖取代大量的分立傳感器進(jìn)行測(cè)量，大大降低了造價(jià)，性價(jià)比很高，因此得到廣泛的應(yīng)用。分布式光纖傳感技術(shù)發(fā)展至今，主要有兩大類：一是準(zhǔn)分布式光纖傳感；二是全分布式光纖傳感[[] 王惠文，江先進(jìn)，趙長(zhǎng)明等. 光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，.]。區(qū)別在于全分布式技術(shù)比起準(zhǔn)分布式技術(shù)，具有無(wú)盲區(qū)的特點(diǎn)。在全分布式系統(tǒng)中，作為傳感的光纖上每一點(diǎn)都是感應(yīng)單元，在光纖長(zhǎng)度范圍內(nèi)連續(xù)探測(cè)，真正做到無(wú)盲區(qū)。從理論上來(lái)說(shuō)，全分布式傳感技術(shù)可以達(dá)到傳感距離無(wú)限長(zhǎng)、分別率無(wú)限低、信息容量無(wú)限大，同時(shí)還兼具光纖本身的種種優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[[] Yicai Sun, Xinyu Sun, Bing Sun, et al. Electric drift of the bridge offset for pressure sensors and its utilization. Sensors and Actuators, 1997, 23（58）：249256.]。目前的分布式傳感技術(shù)基本上是探測(cè)光纖軸向的一維信息，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)是分布式光纖傳感技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向[[] 朱燕，代志勇，張曉霞等. 分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)及發(fā)展動(dòng)態(tài). 激光與紅外,2011,41（10）：10721075.]。盡管各種分布式光纖傳感技術(shù)的機(jī)理都相對(duì)成熟，但在面向?qū)嶋H應(yīng)用時(shí)還存在很多問(wèn)題，包括光纖傳感器系統(tǒng)的成本、可靠性以及靈敏度等。開發(fā)新型傳感材料、開發(fā)多用途和智能化的分布式光纖傳感系統(tǒng)[[] 梁大開，袁慎芳,陶寶琪等. 應(yīng)用于智能結(jié)構(gòu)的光纖傳感新技術(shù)研究. 航空學(xué)報(bào)，2001, 22（4）：326329.]以及這類系統(tǒng)靈敏