【正文】 為波形圖、幅度譜、波形回放，然后將三個(gè)波形圖控件分別置于這三個(gè)選項(xiàng)卡中即可。 圖49 FFT頻譜（幅度相位）VI節(jié)點(diǎn)的圖表及端口 圖410 頻譜分析模塊程序框圖（4）波形顯示模塊設(shè)計(jì)波形顯示模塊的功能是對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示，并能顯示經(jīng)過處理后的波形，如濾波波形和頻譜圖。本課題中利用傅里葉變換來獲得信號(hào)的頻譜，以更好的觀察分析信號(hào)。濾波器模塊的程序框圖如圖47所示，前面板如圖48所示。然后在條件結(jié)構(gòu)的“真”分支內(nèi)添加一個(gè)數(shù)字IIR濾波器，并創(chuàng)建IIR濾波器規(guī)范輸入控件。這里選用無限沖擊響應(yīng)（IIR）濾波器來進(jìn)行濾波。完成后的數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖如圖45所示。采集結(jié)束后需用DAQmx停止任務(wù)節(jié)點(diǎn)來停止數(shù)據(jù)采集任務(wù)，最后在循環(huán)外使用DAQmx清除任務(wù)節(jié)點(diǎn)來清除數(shù)據(jù)采集任務(wù)，并創(chuàng)建一個(gè)錯(cuò)誤輸出簇顯示控件，用于顯示錯(cuò)誤。本課題中利用LabVIEW強(qiáng)大的虛擬儀器設(shè)計(jì)功能設(shè)計(jì)一個(gè)分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、波形顯示、信號(hào)處理、波形存儲(chǔ)和回放等功能，主要包含數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)字濾波模塊、頻譜分析模塊、波形顯示模塊、波形存儲(chǔ)和回放模塊以及數(shù)據(jù)記錄模塊，下面將對(duì)這些模塊作詳細(xì)的介紹。除此之外，PCI6115還有2路12位模擬輸出、2個(gè)24位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和8條通用數(shù)字I/O線，適合于更多的應(yīng)用。其中板載內(nèi)存的一半用于模擬輸入，另一半則用于模擬輸出。它是將外界存在的溫度、壓力、流量、位移以及角度等物理量，應(yīng)用非電量電測(cè)技術(shù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)模擬量（Analog Signal），然后再轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)所能識(shí)別和處理的數(shù)字信號(hào)（Digital Signal），最后將這些收集到的數(shù)字信號(hào)通過計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步記錄、處理、傳輸與顯示的過程。其中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是聯(lián)系用戶應(yīng)用程序與底層硬件設(shè)備的基礎(chǔ)。此外，常用的數(shù)據(jù)處理語言包括C、MATLAB等，但由于C、MATLAB程序效率低、實(shí)時(shí)性差，因而不容易產(chǎn)生理想的實(shí)驗(yàn)效果。在測(cè)試程序中，絕大部分工作都是在流程圖中完成，程序的流程圖如圖42所示：圖42 程序流程圖（3）圖標(biāo)每個(gè)VI都有一個(gè)默認(rèn)的圖標(biāo)，顯示在前面板和框圖窗口的右上角。結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)流框圖程序是LabVIEW的核心，是實(shí)現(xiàn)程序功能的關(guān)鍵部分。當(dāng)打開LabVIEW軟件新建一個(gè)VI文件時(shí)，就會(huì)彈出這個(gè)VI的前面板，在前面板中單擊鼠標(biāo)右鍵會(huì)彈出控件選板，選板上包含了全部的控件類別。程序前面板相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的控制面板，用于設(shè)置輸入?yún)?shù)和觀察輸出結(jié)果，程序前面板上的每一個(gè)控件都對(duì)應(yīng)著一段方框圖程序。，經(jīng)過了不斷改進(jìn)和完善。它還提供了大量與外部代碼或軟件的通信機(jī)制，尤其是與各種專業(yè)工具箱的結(jié)合使用，使虛擬儀器的數(shù)據(jù)處理能力更大加強(qiáng)。 本章小結(jié)本章首先介紹了光相位調(diào)制原理，充分闡明了振動(dòng)傳感所基于的光學(xué)相位干涉技術(shù)和彈性光學(xué)的理論，并對(duì)此作了詳細(xì)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。光強(qiáng)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖32所示：圖32 MZ干涉型分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)該MZ干涉型分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)由三個(gè)主要功能模塊構(gòu)成：MZ干涉模塊（由光源、隔離器、耦合器、傳感光纖、參考光纖組成）、光電轉(zhuǎn)換模塊（集成的光電轉(zhuǎn)換器）、數(shù)據(jù)采集及分析模塊（由數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)組成）。又光纖中傳播波導(dǎo)的波長(zhǎng)，則傳播常數(shù)為： （319）由（318）、（319）兩式容易看出，當(dāng)光纖的直徑發(fā)生變化時(shí)，將會(huì)改變光纖波導(dǎo)的波長(zhǎng)。當(dāng)不考慮泊松效應(yīng)時(shí)，相位變化為： （314）（3）光彈效應(yīng)引起的相位變化此時(shí)縱向橫向效應(yīng)將同時(shí)存在，把式（39）代入式（310）得相位變化為： （315）（4）一般情況下的相位變化以上三種情況均屬于理想應(yīng)變情形，實(shí)際上，當(dāng)縱向應(yīng)變?yōu)樯扉L(zhǎng)時(shí)，橫向應(yīng)變?yōu)榭s短；當(dāng)縱向應(yīng)變?yōu)榭s短時(shí)，橫向應(yīng)變?yōu)樯扉L(zhǎng)。上式可近似為： （33）由應(yīng)變理論和彈性效應(yīng)原理可知：當(dāng)受到外界振動(dòng)壓強(qiáng)作用時(shí)，單模傳感光纖會(huì)產(chǎn)生一定的相位差。其中為纖芯折射率，為光波在真空中的波數(shù)，是光在真空中的波長(zhǎng)。在相位調(diào)制型光纖傳感器中，相位調(diào)制是通過光纖干涉儀的敏感光纖作為相位調(diào)制元件，將敏感光纖置于被測(cè)量的能量場(chǎng)中，由于被測(cè)場(chǎng)與敏感光纖的相互作用，導(dǎo)致光纖中光相位的調(diào)制。對(duì)于干涉型的分布式光纖傳感系統(tǒng)，其技術(shù)原理是干涉相位調(diào)制技術(shù)。 本章小節(jié)本章主要介紹了分布式光纖傳感器的基本原理和特點(diǎn)，對(duì)分布式光纖傳感器進(jìn)行了分類和比較，簡(jiǎn)單的介紹了反射法中的幾種分布式光纖傳感器?；赟agnac干涉技術(shù)的分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)對(duì)光纖要進(jìn)行擾動(dòng)隔離、后續(xù)處理也很復(fù)雜、系統(tǒng)無抗偏振衰落能力，且由于結(jié)構(gòu)的限制，振動(dòng)信號(hào)也只限于具有寬頻特性的干擾信號(hào)，也不適于本實(shí)驗(yàn)。（2）Sagnac干涉技術(shù)l Sagnac環(huán)境的兩束相向光是在同一根光纖中傳播的，因此在沒有擾動(dòng)的情況下，光程是一樣的。同時(shí)，由2端發(fā)出的光也將在1端產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋。根據(jù)這一原理即可測(cè)得作用在光纖上振動(dòng)情況[[] 羅強(qiáng). 基于Sagnac環(huán)的光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)研究：[碩士學(xué)位論文]. 武漢： 武漢理工大學(xué)，2008]。圖 22 Michelson光纖干涉技術(shù)（2）薩格納克（Sagnac）干涉技術(shù)Sagnac光纖干涉技術(shù)基本光路原理圖如圖23所示，利用同一光纖環(huán)中沿相反方向前進(jìn)的兩光波，在外界因素影響下產(chǎn)生不同的相移，通過干涉效應(yīng)來進(jìn)行檢測(cè)。由于本課題所研究的分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)也正是基于干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)，下面將對(duì)干涉儀中所使用的典型干涉技術(shù)做詳細(xì)介紹和比較。從光纖輸出的偏振光經(jīng)解偏器后，在干涉儀上形成干涉。探測(cè)器和電路的熱噪聲、散粒噪聲以及光纖內(nèi)部雙折射的擾動(dòng)也限制了其靈敏度。該方法的分辨力與使用的光源和光纖種類有關(guān)。 基于干涉法的分布光纖傳感器干涉法是利用各種形式的干涉儀或干涉裝置把被測(cè)量（如溫度、應(yīng)力應(yīng)變、振動(dòng)等）對(duì)干涉光路中光波的相位調(diào)制進(jìn)行解調(diào)，從而得到被測(cè)量信息的方法。由于自發(fā)布里淵散射頻移量較小，不利于檢測(cè)，并采用光頻移環(huán)路實(shí)現(xiàn)了單光源的相干自外差檢測(cè)，為基于自發(fā)布里淵散射的分布式檢測(cè)技術(shù)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(jìn)展. 測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào),2004，16（2）： 8791.]。（2）基于自發(fā)拉曼散射的ROTDR傳感器當(dāng)光信號(hào)進(jìn)入光纖時(shí)，產(chǎn)生的自發(fā)拉曼散射光波長(zhǎng)將相對(duì)于入射光波長(zhǎng)發(fā)生改變，其中的斯托克斯（Stokes）散射光波長(zhǎng)將向長(zhǎng)波長(zhǎng)偏移，而反斯托克斯（AntiStokes）散射光將向短波長(zhǎng)偏移。圖 21 光時(shí)域反射技術(shù)原理圖光脈沖進(jìn)入光纖后產(chǎn)生后向散射光包括與泵浦激光相同波長(zhǎng)的彈性散射光瑞利（Rayleigh）散射光，以及與泵浦激光波長(zhǎng)不同的非彈性散射光拉曼（Raman）散射光和布里淵（Brillouin）散射光。而連續(xù)波調(diào)頻法屬于光頻域反射技術(shù)，起步較晚，應(yīng)用不廣泛。當(dāng)高雙折射保偏光纖受到外部擾動(dòng)作用時(shí)，就會(huì)引起相位匹配的模式耦合，光的一部分從一種模式轉(zhuǎn)換為另一種模式。一般地，分布式光纖傳感技術(shù)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(gè)傳感光纖長(zhǎng)度內(nèi)，其探測(cè)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(xué)腐蝕，能在易燃、易爆的惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作；（4） 信號(hào)處理系統(tǒng)一般具有較高的信噪比，可檢測(cè)檢測(cè)較微弱的傳感信號(hào)；（5） 一次測(cè)量就可以獲取整個(gè)光纖區(qū)域內(nèi)被測(cè)量的一維分布圖，若將光纖架設(shè)成光柵狀，還可以測(cè)定被測(cè)量的二維和三維分布情況。具體原理路徑是通過被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸光的強(qiáng)度、相位、頻率或者偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，再通過對(duì)被調(diào)制的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而獲得被測(cè)量在空間和時(shí)間上的信息。隨著分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)的不斷進(jìn)步以及安防產(chǎn)業(yè)和智能監(jiān)測(cè)的發(fā)展，勢(shì)必將在日后的國(guó)防工業(yè)和日常生活的更多方面有著更加廣泛地應(yīng)用。試驗(yàn)表明，當(dāng)翼型變化角度攻擊時(shí)，該光纖傳感系統(tǒng)能成功的監(jiān)測(cè)翼體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定現(xiàn)象[[] 徐海偉，曾捷，梁大開等. 可變體機(jī)翼多物理場(chǎng)分布式光纖集成測(cè)試技術(shù). 航空科學(xué)技術(shù),2011（,1）：4245.]。在軍事運(yùn)用方面，在一些重要的軍事基地、監(jiān)獄和國(guó)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(shè)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。不過由于基礎(chǔ)薄弱、工藝水平低和相關(guān)技術(shù)的落后，大多數(shù)產(chǎn)品或處于實(shí)驗(yàn)室研制階段，我國(guó)的光纖傳感系統(tǒng)技術(shù)與這些發(fā)達(dá)國(guó)家相比有較大的差距，且商業(yè)化水平不高。在國(guó)內(nèi)，我國(guó)對(duì)光纖傳感技術(shù)的研究也很重視，1983年召開了光纖傳感技術(shù)的第一次全國(guó)會(huì)議，并在“七五”規(guī)劃中提出了15項(xiàng)光纖傳感技術(shù)項(xiàng)目，其中有光纖放射線探測(cè)儀、光纖位移傳感器、光纖陀螺、集成光學(xué)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。在日本光產(chǎn)業(yè)振興協(xié)會(huì)的組織協(xié)調(diào)下，由住友電工、東芝、日本電氣、東京大學(xué)等十五家公司和研究機(jī)構(gòu)組成的研究開發(fā)集團(tuán)，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(zhǎng)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(chǎng)上得到了廣泛的應(yīng)用。 光纖傳感技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀光纖傳感技術(shù)是上世紀(jì)80年代，伴隨著光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步發(fā)展起來的新興技術(shù)，由于具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、電絕緣性好、耐腐蝕、安全可靠、可構(gòu)成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)等諸多優(yōu)勢(shì)，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(hù)等眾多領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景，成為當(dāng)今極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一，國(guó)內(nèi)外很多公司和科研機(jī)構(gòu)都開展了這方面的研究工作。從理論上來說，全分布式傳感技術(shù)可以達(dá)到傳感距離無限長(zhǎng)、分別率無限低、信息容量無限大，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.]。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。在光通信系統(tǒng)中，光纖被用來作為遠(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。這一預(yù)言，拉開了人類通信史上新的革命的序幕。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，并且逐漸從試驗(yàn)研究走向?qū)嶋H應(yīng)用。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。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。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。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)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。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)。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。上個(gè)世紀(jì)來，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。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。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，張愛紅. 光電測(cè)試技術(shù). 北京：電子工業(yè)出版社,.]。 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”。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)。為了解決上述存在地問題，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。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)，真正做到無盲區(qū)。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)靈敏度的提高和成本的降低等也是分布式光纖傳感技術(shù)的另一發(fā)展方向。日本在20世紀(jì)80年代制定了“光應(yīng)用計(jì)劃控制系統(tǒng)”7年規(guī)劃，投資達(dá)70億美元，規(guī)劃的主要目標(biāo)是解決強(qiáng)電磁干擾和易燃、易爆等惡劣條件下的信息測(cè)量、傳輸和全過程控制問題。目前，美國(guó)、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(cè)的Secure Fence系統(tǒng)、以色列MAGAL集團(tuán)公司IntelliFiber振動(dòng)