【正文】 光源發(fā)出功率不變的高相干激光信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔離器之后到達(dá)第一個(gè)3dB耦合器，之后被耦合器分為光強(qiáng)1：1的兩束光分別進(jìn)入信號(hào)臂和參考臂。兩者符號(hào)相反，符合胡克定律，即： （316）此時(shí)式（32）可寫(xiě)為： （317）下面推導(dǎo)光纖中傳播常數(shù)應(yīng)變因子的表達(dá)式，以證明式（317）中最后一項(xiàng)數(shù)值很小，可以忽略不計(jì)。將傳感光纖置于待測(cè)環(huán)境中，當(dāng)受到外界振動(dòng)時(shí)，將導(dǎo)致一系列物理效應(yīng)，使光纖的參數(shù)變化，其中光纖縱向應(yīng)力的變化效應(yīng)使光纖的長(zhǎng)度產(chǎn)生變化；橫向的泊松效應(yīng)使光纖的芯徑產(chǎn)生變化，進(jìn)而使光波傳播常數(shù)產(chǎn)生一定的變化；彈光效應(yīng)和熱光效應(yīng)使光纖纖芯的折射率發(fā)生改變。將傳感光纖置于待測(cè)環(huán)境中，當(dāng)受到外界振動(dòng)時(shí)，由于光纖應(yīng)變效應(yīng)和彈光效應(yīng)，傳感光纖受振動(dòng)信號(hào)作用導(dǎo)致光纖自身長(zhǎng)度、直徑和折射率發(fā)生變化而使在光纖中傳輸?shù)墓獠ㄏ辔划a(chǎn)生變化，測(cè)量傳感光纖中光波相位變化即可知相應(yīng)的振動(dòng)情況。而基于馬赫曾德干涉技術(shù)的分布式傳感系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單地采用光電檢測(cè)器直接進(jìn)行光功率測(cè)量，對(duì)光源的相干度要求不是很高，干涉結(jié)構(gòu)采用雙臂干涉，其靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且利于擴(kuò)展。在采用窄帶激光作為光源時(shí)，將分別在1端和2端接到穩(wěn)定的光功率（暫不考慮環(huán)境及溫度變化等干擾信號(hào)的影響）[[] 周廣，趙春柳，黃勇林等. 光纖環(huán)對(duì)非平衡馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x型波長(zhǎng)交錯(cuò)濾波器性能的改善. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 22（6）：702705.]。如圖所示其基本結(jié)構(gòu)是將耦合器的輸出端相連接，形成光回路。目前，該方法在50m長(zhǎng)的光纖上實(shí)現(xiàn)的空間分辨力為50cm，其空間分辨力與光源的相干長(zhǎng)度和光纖的雙折射率有關(guān)[[] 駱飛, 潘英俊, 黃尚廉. 應(yīng)用高雙折射光纖的分布力傳感技術(shù)的研究. 儀器儀表學(xué)報(bào), 1993, 14（3）： 292296.]。光源相干時(shí)間越長(zhǎng)，分辨力越低；所用光纖單位長(zhǎng)度上的群時(shí)延差越大，分辨力越高。（4）基于瑞利（Rayleigh）散射的POTDR傳感器當(dāng)光纖振動(dòng)時(shí)，光纖中特定方向的折射率會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生感生雙折射效應(yīng)，從而使得入射到振動(dòng)光纖中的光的偏振態(tài)發(fā)生改變，而后向瑞利散射光會(huì)保持散射點(diǎn)的偏振態(tài)不變，這樣通過(guò)對(duì)比振動(dòng)前與振動(dòng)后的兩偏振態(tài)的光強(qiáng)變化，就能分析出第一個(gè)擾動(dòng)點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)分布式振動(dòng)傳感。這些散射光的物理特征量（光強(qiáng)、偏振態(tài)、頻率等）將隨著外界環(huán)境干擾而改變，再結(jié)合光時(shí)域反射技術(shù)由回波時(shí)間確定環(huán)境干擾發(fā)生位置，由此獲得待測(cè)參量的空間分布。由于本征模以不同的速度在光纖中傳播，從藕合點(diǎn)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(gè)本征模的相對(duì)幅度的大小，就可以得到被測(cè)量的信息。確切的說(shuō)，它可以精確測(cè)量光線(xiàn)沿線(xiàn)上任意一點(diǎn)的溫度、應(yīng)力、彎曲、振動(dòng)等信息。在民用方面，可用于橋梁、隧道等大型設(shè)施的安全監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)地得到斷裂或破損導(dǎo)致的振動(dòng)信號(hào)，判斷結(jié)構(gòu)損壞的情況，同時(shí)有效地給出發(fā)生損害的位置，從而能及時(shí)的進(jìn)行交通疏導(dǎo)和修復(fù)。因此，我們應(yīng)該加大對(duì)光纖傳感技術(shù)研究、開(kāi)發(fā)的投入，縮短我國(guó)光纖傳感技術(shù)與外國(guó)的差距，促進(jìn)我國(guó)儀器儀表工業(yè)和光纖傳感系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在歐洲，英國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)電訊公司、牛津大學(xué)、南安普頓大學(xué)、法國(guó)的湯姆遜公司、德國(guó)的西門(mén)子公司等公司和大學(xué)也對(duì)光纖傳感技術(shù)投入了大量經(jīng)費(fèi)進(jìn)行研究。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.]。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)。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)。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。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(lèi)，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)。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, .]。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。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。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。隨著工藝水平的提高以及計(jì)算機(jī)技術(shù)在光纖傳感技術(shù)中的應(yīng)用，基于光纖傳感技術(shù)的光纖傳感系統(tǒng)的可靠性、靈敏度等相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)也有很大提高，光纖傳感系統(tǒng)正逐步從實(shí)驗(yàn)室走入市場(chǎng)[[] Juan C J, Eric W M,Kyoo N C. Distributed FiberOptic Intrusion Sensor System. Journal of Light wave ,23（6）：20812087.]。 分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)的應(yīng)用分布式光纖振動(dòng)傳感器作為分布式光纖傳感技術(shù)的一個(gè)重要分支，利用光波在光纖中傳輸時(shí)相位、偏振等對(duì)振動(dòng)敏感的特性，連續(xù)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)光纖附近的振動(dòng)。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(xué)光等．分布式光纖布拉格光柵在油氣管道檢測(cè)中的應(yīng)用．應(yīng)用學(xué)．2000, 21（4）：3537.]，一些高級(jí)別墅、酒店的安防警戒，地震災(zāi)害的預(yù)警等。如果把光纖縱橫交錯(cuò)連接成網(wǎng)狀，則可以構(gòu)成規(guī)模龐大的地毯式監(jiān)測(cè)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的全方位的檢測(cè)。該方法分辨力高，光源成本較低。目前應(yīng)用光纖后向散射技術(shù)的光纖傳感器己有：（1）基于OTDR的微彎應(yīng)力傳感器光纖的彎曲會(huì)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。但對(duì)于有多個(gè)振動(dòng)點(diǎn)，可能會(huì)淹沒(méi)在首個(gè)振動(dòng)點(diǎn)后的偏振態(tài)抖動(dòng)中，如果要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位，POTDR還有許多問(wèn)題需要研究。所以，使用寬帶光源和高雙折射保偏光纖可以提高系統(tǒng)的分辨力。采用寬光譜的光源和高雙折射率的光纖可以提高系統(tǒng)的空間分辨力。光源發(fā)出的光，經(jīng)耦合器后分為兩路，分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较蛟趥鞲泄饫w中傳播。圖 24 馬赫曾德（MZ）干涉技術(shù) 各類(lèi)干涉技術(shù)比較（1）Michelson干涉技術(shù)l Michelson干涉技術(shù)是利用光纖反射光進(jìn)行干涉測(cè)量，因此，其信號(hào)比較微弱時(shí)，也可以通過(guò)在光纖后端面接反射鏡以增加反射光強(qiáng)；l 當(dāng)傳感光纖上的可動(dòng)反射鏡每移動(dòng)半個(gè)波長(zhǎng)長(zhǎng)度時(shí)，光探測(cè)器的輸出就從最大值變?yōu)樽钚≈?，再變最大值，即變化一個(gè)周期，如果使用HeNe激光器，這種技術(shù)能檢測(cè)um級(jí)的位移，該干涉技術(shù)可用于大型工作的精密測(cè)量和長(zhǎng)度的測(cè)量；l Michelson干涉技術(shù)需要利用復(fù)雜的解調(diào)技術(shù)進(jìn)行相位解調(diào)；l Michelson干涉技術(shù)要求光源的相干長(zhǎng)度大于光學(xué)回路的長(zhǎng)度，因此，在長(zhǎng)距離測(cè)量時(shí)，需要相干度極高的光源，這對(duì)光源的制作要求很高。在技術(shù)上也比較成熟，干涉效果好，傳感能力強(qiáng)，在探測(cè)和信號(hào)處理方面，還具有抑制光源噪聲和模式噪聲等顯著優(yōu)點(diǎn)，易于進(jìn)行信號(hào)的探測(cè)和處理。本系統(tǒng)根據(jù)馬赫曾德干涉原理，應(yīng)用光相位偏移檢測(cè)技術(shù)，達(dá)到檢測(cè)光纖是否受外界的擾動(dòng)的目的。傳感光纖各種參數(shù)的變化都將會(huì)引起光纖中傳輸?shù)墓獠ㄏ辔划a(chǎn)生相應(yīng)的變化。光纖的縱截面如圖31所示。（2）當(dāng)外界干擾信號(hào)作用于信號(hào)臂上，對(duì)信號(hào)臂內(nèi)的光信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制，此時(shí)參考臂內(nèi)的光信號(hào)沒(méi)有變化。第四章 基于LabVIEW的分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) LabVIEW概述 LabVIEW虛擬儀器簡(jiǎn)介虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的儀器測(cè)量、測(cè)試和控制技術(shù)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)密切結(jié)合的產(chǎn)物，現(xiàn)已成為控制、自動(dòng)測(cè)試和信號(hào)處理等領(lǐng)域中的一個(gè)嶄新的發(fā)展方向。目前，LabVIEW已經(jīng)成為測(cè)試領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛和最有前途的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)之一，也是應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境之一。前面板是用戶(hù)與虛擬儀器進(jìn)行信息交互的接口，當(dāng)測(cè)試程序開(kāi)發(fā)完成后，運(yùn)行將會(huì)產(chǎn)生圖41所示的圖形化的測(cè)試界面。還可以選擇“顯示連線(xiàn)板”定義子VI輸入、輸出端口和主程序之間的參數(shù)形式和接口類(lèi)型，連接器從輸入端子接受數(shù)據(jù)，并在VI執(zhí)行完成是將數(shù)據(jù)傳送到輸出端子，從而可以實(shí)現(xiàn)模塊化編程。在編寫(xiě)數(shù)據(jù)采集的程序時(shí)，LabVIEW不但具備了傳統(tǒng)程序調(diào)試的工具，而且可以在程序框圖中設(shè)置斷點(diǎn)和單步運(yùn)行，還提供了高亮執(zhí)行和探針等獨(dú)具特色的工具，更加便于觀(guān)察程序執(zhí)行的細(xì)節(jié)和相應(yīng)的修改。每路通道上的偽差分輸入，使在對(duì)輸入進(jìn)行同步采樣的同時(shí)，盡可能地避免接地回路。其中用到的主要VI節(jié)點(diǎn)有：DAQmx創(chuàng)建通道節(jié)點(diǎn)、DAQmx采樣時(shí)鐘VI實(shí)例、DAQmx開(kāi)始任務(wù)節(jié)點(diǎn)、DAQmx讀取節(jié)點(diǎn)、DAQmx停止任務(wù)節(jié)點(diǎn)和DAQmx清除任務(wù)節(jié)點(diǎn)，使用到的程序結(jié)構(gòu)式while結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)過(guò)程如下：首先利用DAQmx創(chuàng)建通道節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建虛擬通道，并創(chuàng)建用于選擇設(shè)備號(hào)、通道號(hào)、及輸入連線(xiàn)配置的輸入控件；接著使用DAQmx定時(shí)節(jié)點(diǎn)對(duì)視鐘進(jìn)行設(shè)置，并創(chuàng)建用于輸入采樣率、每通道采樣、采樣方式的輸入控件；然后使用DAQmx開(kāi)始任務(wù)節(jié)點(diǎn)以啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。根據(jù)采集信號(hào)的特點(diǎn)和類(lèi)型選擇信號(hào)測(cè)量方式，如RSE（參考單端），根據(jù)實(shí)際情況輸入采樣率（如1000Hz）和每通道采樣（如1000），并確定采樣方式，如連續(xù)采樣，相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集前面板輸入控制如圖46所示。最后將信號(hào)輸入端接采集到的信號(hào)，濾波后信號(hào)通過(guò)條件結(jié)構(gòu)輸出通道輸出。FFT頻譜VI節(jié)點(diǎn)的圖標(biāo)及端口如圖49所示，其使用十分方便，只需將時(shí)間信號(hào)加到FFT頻譜上，便能得到該信號(hào)的幅度譜和相位譜，而不用考慮傅里葉變換的算法，設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單明了。 圖411 選項(xiàng)卡控件 圖412 波形顯示模塊前面板（5）波形存儲(chǔ)和回放模塊設(shè)計(jì)在采用LabVIEW實(shí)現(xiàn)的分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)中，當(dāng)軟件完成數(shù)據(jù)采集、處理工作后，可以將采集到的數(shù)據(jù)的波形進(jìn)行存儲(chǔ)和回放，以便于日后的研究和比較，這樣的功能就依靠波形存儲(chǔ)和回放顯示模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。 圖415 “寫(xiě)入測(cè)量文件”Express VI圖標(biāo)及端口 圖416 數(shù)據(jù)記錄模塊程序框圖通過(guò)上述各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)，將后五個(gè)功能模塊全部置于第一個(gè)功能模塊的While循環(huán)內(nèi)，并進(jìn)行連線(xiàn)，將各個(gè)模塊組織起來(lái)并進(jìn)行調(diào)試，得出完整的分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)程序框圖，如圖417所示：圖417 分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)程序框圖之后還要對(duì)前面板進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)。如圖52所示：圖52 HP8153A光波萬(wàn)用表（2）實(shí)驗(yàn)中使用損耗為3dB的光耦合器，其技術(shù)指標(biāo)為工作波長(zhǎng)1550nm，偏振敏感損耗，方向性，工作溫度，如圖53所示：圖53 2x2光耦合器（3）傳感光纖選用單模光纖，實(shí)驗(yàn)中選取的兩根構(gòu)成MachZehnder干涉儀的兩臂。該平臺(tái)在上述平臺(tái)的基礎(chǔ)上，增加了發(fā)波卡、HEAS功率放大器、HEV50激振器等器件，通過(guò)對(duì)一定頻率的激勵(lì)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和分析，達(dá)到檢測(cè)干擾信號(hào)振動(dòng)頻率的目的。圖 59 擾動(dòng)波形圖 干擾信號(hào)以及振動(dòng)頻率的檢測(cè)根據(jù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，搭建如圖51和57的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)干擾信號(hào)以及振動(dòng)頻率進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)振動(dòng)頻率為50Hz時(shí)，單擊分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)中的保存按鈕，可得到如圖511的波形圖。本實(shí)驗(yàn)中選擇100Hz、200Hz、300Hz、500Hz的四種激振頻率。實(shí)驗(yàn)中在分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)的界面中設(shè)定物理通道為Dev1/ai0，采樣模式為連續(xù)采樣，采樣率為10MHz，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕開(kāi)始運(yùn)行。當(dāng)光路出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以使用光功率計(jì)測(cè)試各連接處光信號(hào)的功率來(lái)找出中斷所在的位置；l 用膠帶將實(shí)驗(yàn)光路系統(tǒng)固定，盡量減小環(huán)境噪聲對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響。如圖54所示：圖54 Agilent E6000 MiniOTDR測(cè)光纖長(zhǎng)度（4）實(shí)驗(yàn)中當(dāng)受信號(hào)臂到干擾信號(hào)作用時(shí)，會(huì)使其中的光相位發(fā)生變化。完成后的分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)前面板如圖418所示：圖418 分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)前面板綜上所述，即完成了基于LabVIEW的分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)主要采用了調(diào)用節(jié)點(diǎn)和寫(xiě)入JPEG文件VI，首先創(chuàng)建一個(gè)波形圖的調(diào)用節(jié)點(diǎn)，將其Image Data輸入端與寫(xiě)入JPEG文件VI相連，便能將波形保存為JPEG圖片。 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(guò)處理后的波形，如濾波波形和頻譜圖。濾波器模塊的程序框圖如圖47所示，前面板如圖48所示。這里選用無(wú)限沖擊響應(yīng)（IIR）濾波器來(lái)進(jìn)行濾波。采集結(jié)束后需用