【正文】 高功率、長期穩(wěn)定的激光信號，激光器輸出的光信號經(jīng)過隔離器隔離后進入光耦合器。光電轉(zhuǎn)換器輸出的電信號通過數(shù)據(jù)采集卡采集至工控機。圖 58 原理性實驗平臺在實驗中，固定住MZ干涉中的參考臂，在信號臂沒有受到擾動時，示波器中的波形圖基本上為一條直線；當抖動信號臂時，在示波器中可以得到如圖59所示的波形。圖 510 干擾信號波形圖（2）振動頻率的檢測首先將靠近光耦合器OC1的信號臂貼在與激振器相連的鋁板上，激振器通過發(fā)波卡和功率放大器后產(chǎn)生不同頻率的振動信號?？傻玫剿姆N波形圖如下：圖 512 無擾動光纖波形圖圖 513 觸碰光纖波形圖圖 514 撮動光纖波形圖圖 515 腳踢光纖波形圖從以上的波形圖中可以很清楚的看到，當光纖不受擾動時，波形圖基本上是一條直線；當光纖受到觸碰、撮動、腳踢這三種干擾信號時，波形圖與無干擾相比發(fā)生了明顯變化。與此同時，運行中的LabVIEW采集程序?qū)⑺杉降碾妷盒盘栆粤械男问奖４嬖谝粋€LVM文件中，以便后期數(shù)據(jù)處理。 基于MZ分布式光纖傳感系統(tǒng)擾動檢測實驗 原理性實驗根據(jù)MZ干涉型分布式光纖振動傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，可以將其中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和分析模塊用示波器來代替，對該光纖振動傳感系統(tǒng)的做原理性的實驗。光強經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。第五章 基于MZ干涉原理的分布式光纖傳感系統(tǒng)擾動檢測實驗 基于MZ分布式光纖傳感系統(tǒng)實驗平臺在第三章中，圖32給出了MZ干涉型分布式光纖傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，根據(jù)該示意圖搭建相應的實驗平臺如圖51：圖51 干涉型分布式光纖傳感系統(tǒng)實驗平臺如圖所示，硬件系統(tǒng)中的器件包括：激光器、光隔離器、3dB光耦合器、傳感光纖、光電轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機等。對波形的回放只需要使用“寫入測量文件”和“讀取測量文件”兩個Express VI即可，其程序框圖如圖414所示?？紤]到前面板的美觀和節(jié)省面板的空間，可以將波形圖、幅度譜、波形回放三個波形圖放置在一個選項卡控件上。當開關沒有按下時，則不會對采集信號進行濾波。對濾波模塊的設計如下：為了實現(xiàn)有好的人機交互界面，使用一個開關按鈕來控制并顯示濾波器的啟用。獲取采集過程狀態(tài)信息的方法是：利用按名稱解除綁定函數(shù)。此外它的采集控制器（DAQ Core）可以由PCI總線接口在采集系統(tǒng)啟動時動態(tài)下載，可以支持采集卡的遠程動態(tài)升級服務，也便于靈活地設計滿足特殊用戶的測試功能與時序要求，還可以實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的動態(tài)升級。要完成對研究信號的數(shù)據(jù)采集，需要通過數(shù)據(jù)采集卡（DAQ card）來實現(xiàn)，下面先介紹一下本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集部分所使用的采集卡。而且LabVIEW圖形化的開發(fā)環(huán)境，具有精確、高效、功能強大、開發(fā)簡易、實時性強、界面友好等優(yōu)點，給用戶提供了強大功能和使用的靈活性，因此非常適合用于進行仿真、實時檢測和控制[[] 何毅，劉德明，孫琪真. 基于LabvIEW的光纖傳感器相位解調(diào)技術. （l）：9497.]。與控件選板相類似，函數(shù)選板中的每個圖標也代表某一類函數(shù)。圖標端口主要用來將LabVIEW程序定義成一個子程序，從而可以實現(xiàn)模塊化編程。作為一種基于G語言（Graphics Language，圖形化編程語言）的測試系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，LabVIEW相對于常用的面向?qū)ο筌浖?，編程難度大大降低，使得軟件開發(fā)效率高，界面友好，功能強大，且擴展性好，對采集到的數(shù)據(jù)可用于高級分析庫進行信號處理，也可以為了使所得測試曲線符合實際情況，進行擬合處理。所設計的MZ干涉型分布式光纖振動傳感系統(tǒng)具有檢測靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、不易受外界環(huán)境的干擾和限制等優(yōu)點。只需考慮應變效應導致光纖Z方向長度的變化，有 （327）又由于波數(shù)，則，由此可得： （328）根據(jù)光彈效應有： （329）因光波沿軸向（z方向）傳播，所以僅在橫向（x，y方向）有影響，由此可得： （330）將式（330）代入式（328）中得： （331）式（327）和式（331）代入式（326）中得： （332） 由上式可見，在光纖參量基本恒定的條件下，光波相位差的變化正比于外界信號的機械強度，振動信號可以直接且動態(tài)的對傳感光纖中的光相位進行調(diào)制[[] Rogers A J. Polarirationoptical time domain reffectometry：a technique for themeasurement of field distributions. APPLIED OPTICS, 1981, 20（6）：1060~1074]。根據(jù)彈光效應公式有： （35）其中為彈光張量分量，由于傳感光纖在均勻振動壓強作用下不產(chǎn)生剪切應力，故僅存在分量，即 （36）對于均勻的各向同性材料，在受非軸向應力參量的情況下，三個基本軸方向的光學指標變化量與相應方向的應變存在如下的關系： （37）式中，所以；、等為應變光學常數(shù)；和為光纖的橫向應變且=，為光纖的縱向應變。下面以常見的應力應變效應來討論引起敏感光纖中光相位調(diào)制基本原理。第三章 基于MZ干涉原理的分布式光纖傳感系統(tǒng) 分布式MZ振動傳感原理本課題中，通過上述的分析，選擇采用的光纖傳感單元以馬赫曾德干涉儀為基礎。因此，在傳感光纖的布放時，需要將其中一路光纖進行擾動隔離，以避免由于互易效應而造成干涉信號的相消，或者采用其它技術，使傳感光纖形成線性結(jié)構(gòu)，但這樣將造成系統(tǒng)成本大大提高，并且系統(tǒng)實現(xiàn)難度也進一步增大[[] 陳德勝，都洪云，肖靈等. ,2006,17（4）：415418. ]。由于光路的對稱性，由光源2發(fā)出的光，也可以在耦合器1處發(fā)生干涉。兩束光在兩臂的光纖端面處經(jīng)過反射返回耦合器，經(jīng)過分光后，一部分反射光會被光電探測器探測。具有高耦合系數(shù)的特種光纖的研究是提高該方法定位準確度的關鍵。加之干涉型光纖傳感器技術成熟，成本低，性能高，因而近年來對干涉型傳感器特別是其多路復用技術的研究掀起了高潮[[] J. P. Kurmeretal. Application of a Novel Distributed Fiber Optic Acoustic Sensor for Leak Detection. Distributed and Multiplexed Fiber Optic Sensors. SPIE, 1992, 1797：63~71.]。結(jié)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]。 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）。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.]。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(jié)構(gòu)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(jié)，闡述了系統(tǒng)的改進措施，并對今后工作進行展望。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”。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。值得一提的是，美國這些科研機構(gòu)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)。區(qū)別在于全分布式技術比起準分布式技術，具有無盲區(qū)的特點。自從光纖投入商業(yè)應用之后，光纖通信技術取得了長足的發(fā)展[[] 王文剛. 馬赫曾德分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的研究：[碩士學位論文]. 武漢：華中科技大學，2009.]。光纖傳感可以不受電磁波的干擾、體積小、重量輕、噪聲低、信號容量大、反應速度快，可靠性高，而且光纖本身既可以作為傳感感應元件又可以作為信號傳輸媒介這一特征，決定了其在實現(xiàn)長距離大范圍的全分布式傳感技術領域有著無可替代的地位。 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的發(fā)展概況 1 光纖傳感技術國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 分布式光纖振動傳感技術的應用 4 論文的主要內(nèi)容 5 第二章 分布式光纖傳感技術研究 6 分布式光纖傳感技術的原理和特點 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 典型干涉技術介紹和比較 9 典型干涉技術 9 各類干涉技術比較 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振動傳感原理 13 光相位調(diào)制原理 13 光纖振動傳感系統(tǒng)的相位調(diào)制 18 MZ干涉型分布式光纖振動傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計 19 本章小結(jié) 20 第四章 基于LabVIEW的分布式光纖檢測系統(tǒng)設計 21 LabVIEW概述 21 LabVIEW虛擬儀器簡介 21 LabVIEW的結(jié)構(gòu) 21 LabVIEW的優(yōu)勢 23 基于LabVIEW的分布式光纖檢測系統(tǒng)設計 23 數(shù)據(jù)采集原理及采集卡介紹 23 分布式光纖檢測系統(tǒng)的設計 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)擾動檢測實驗 31 基于MZ分布式光纖傳感系統(tǒng)實驗平臺 31 基于MZ分布式光纖傳感系統(tǒng)擾動檢測實驗 34 原理性實驗 34 干擾信號以及振動頻率的檢測 34 數(shù)據(jù)處理