【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 志勇,劉永智. POTDR分布式光纖傳感器. 儀表技術(shù)與傳感器, 2009,（6）：1820.]。 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。干涉型光纖傳感器的最大特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍大、檢測(cè)靈敏度非常高。加之干涉型光纖傳感器技術(shù)成熟，成本低，性能高，因而近年來(lái)對(duì)干涉型傳感器特別是其多路復(fù)用技術(shù)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.]。干涉法分為外差式干涉法和準(zhǔn)外差掃描干涉法，前者當(dāng)分布式參量如應(yīng)力、彎曲等施加到單根光纖上時(shí)，在參量施加位置就會(huì)發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，測(cè)出該點(diǎn)的拍幅度，從而獲得被測(cè)量的整個(gè)信息。該方法的分辨力與使用的光源和光纖種類有關(guān)。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。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。另外，該方法的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍大，信噪比高，但由于寬帶光源的使用引人了其他光譜成份，從而降低了空間分辨力。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。目前，在220m長(zhǎng)的光纖上已實(shí)現(xiàn)了空間分辨力優(yōu)于10m，定位誤差為177。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(zhǔn)確度的關(guān)鍵。后者利用從寬帶體激光器發(fā)出的線偏振光，激勵(lì)高雙折射光纖的一個(gè)本征偏振模，當(dāng)光纖上某個(gè)位置受到外部擾動(dòng)時(shí)，在擾動(dòng)點(diǎn)偏振模的一部分耦合進(jìn)入另一偏振模中。從光纖輸出的偏振光經(jīng)解偏器后，在干涉儀上形成干涉。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.]。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。一般地，干涉法中主要應(yīng)用的干涉結(jié)構(gòu)有邁克爾遜（Michelson）干涉儀、馬赫曾德（MachZehnder）干涉儀、薩格納克（Sagnac）干涉儀以及各干涉儀之間混合組成的結(jié)構(gòu)。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。 典型干涉技術(shù)介紹和比較 典型干涉技術(shù)（1）Michelson光纖干涉技術(shù)麥克爾遜光纖干涉儀的基本光路原理圖如圖22所示，激光器發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合器后被分為兩束光，分別經(jīng)過(guò)參考光纖臂和測(cè)量光纖臂。兩束光在兩臂的光纖端面處經(jīng)過(guò)反射返回耦合器，經(jīng)過(guò)分光后，一部分反射光會(huì)被光電探測(cè)器探測(cè)。當(dāng)有振動(dòng)而產(chǎn)生的應(yīng)力作用于感應(yīng)光纖上時(shí)，會(huì)導(dǎo)致光干涉條紋發(fā)生變化，通過(guò)光電探測(cè)器探測(cè)因?yàn)楦缮鏃l紋變化而引起的光強(qiáng)變化，就能測(cè)得作用在光纖上的振動(dòng)和應(yīng)變[[] 劉波，楊亦飛，牛文成等. ，2004，（4）：208213]。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(guò)干涉效應(yīng)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。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。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。當(dāng)傳感光纖的某處發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致兩束傳輸光波相位發(fā)生變化，兩束光相位差的大小與擾動(dòng)點(diǎn)位置、擾動(dòng)噪聲引起的光波相位變化速率成正比。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 23 薩格納克（Sagnac）干涉技術(shù)（3）馬赫曾德（MZ）干涉技術(shù)馬赫曾德干涉技術(shù)是一種非常實(shí)用的技術(shù)，其結(jié)構(gòu)圖如圖24所示，由光源1發(fā)出的光，經(jīng)耦合器后進(jìn)入兩根長(zhǎng)度基本相同的單模光纖，兩光纖輸出的光在第2個(gè)耦合器處發(fā)生干涉。由于光路的對(duì)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。在傳感光纖無(wú)擾動(dòng)時(shí)，由1發(fā)出的光將在2端產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋。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。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.]。圖 24 馬赫曾德（MZ）干涉技術(shù) 各類干涉技術(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≈担僮冏畲笾?，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。采用移頻器，在不增加光源相干長(zhǎng)度的情況下，使傳感距離增大4倍，但也僅有48m。（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(méi)有擾動(dòng)的情況下，光程是一樣的。因而，其信噪比相對(duì)其它干涉儀來(lái)說(shuō)要高；l 其光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢測(cè)靈敏度高；l Sagnac干涉技術(shù)中，對(duì)于解調(diào)電路的要求很高，必須對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，或者對(duì)解調(diào)光路進(jìn)行掃頻解調(diào)，以確定其零頻率點(diǎn)位置；l Sagnac干涉技術(shù)需要將傳感光纖構(gòu)成環(huán)路。因此，在傳感光纖的布放時(shí)，需要將其中一路光纖進(jìn)行擾動(dòng)隔離，以避免由于互易效應(yīng)而造成干涉信號(hào)的相消，或者采用其它技術(shù)，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(shí)現(xiàn)難度也進(jìn)一步增大[[] 陳德勝，都洪云，肖靈等. ,2006,17（4）：415418. ]。（3）MachZehnder干涉技術(shù)l 光路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)光源的相干度要求不高；l 解調(diào)技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，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；l 檢測(cè)靈敏度很高且后續(xù)處理簡(jiǎn)單，在探測(cè)和信號(hào)處理方面，具有抑制光源噪聲和模式噪聲等特點(diǎn)；l 在MachZehnder干涉技術(shù)中，由于采用雙臂干涉結(jié)構(gòu)，因此溫度等環(huán)境的變化作用于傳感光纖上，會(huì)引起傳輸光相位的變化，從而使系統(tǒng)的信噪比降低；通過(guò)上述的各種干涉技術(shù)的分析和比較，可以看出基于Michelson干涉技術(shù)的分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)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，這在實(shí)驗(yàn)室中比較難以實(shí)現(xiàn)?；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(wú)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)。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。因此，選擇采用以馬赫曾德干涉技術(shù)為基礎(chǔ)的光纖傳感單元作為本課題所研究的傳感系統(tǒng)的光纖傳感單元。 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。之后對(duì)典型的干涉技術(shù)作了詳細(xì)的介紹和比較，最終選擇了基于馬赫曾德干涉技術(shù)為基礎(chǔ)的光纖傳感單元作為分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的光纖傳感單元。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(dòng)傳感原理本課題中，通過(guò)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(chǔ)。下面具體對(duì)系統(tǒng)如何利用馬赫曾德干涉原理作詳細(xì)的理論分析。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)。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。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。 光相位調(diào)制原理光纖的相位調(diào)制機(jī)理是當(dāng)光纖受到外界機(jī)械振動(dòng)作用或溫度場(chǎng)的變化時(shí)，光纖的應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)、熱應(yīng)變效應(yīng)、彈光效應(yīng)及熱光效應(yīng)等，會(huì)使光纖的幾何尺寸和折射率等參數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)產(chǎn)生延遲引起相位變化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光相位的調(diào)制。在相位調(diào)制型光纖傳感器中，相位調(diào)制是通過(guò)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。通常采用的物理效應(yīng)有應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)、溫度應(yīng)變效應(yīng)等。下面以常見(jiàn)的應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)來(lái)討論引起敏感光纖中光相位調(diào)制基本原理。光在長(zhǎng)度為的光纖中傳輸，產(chǎn)生的相位延遲為 （31）式中為光在光纖中的傳播常數(shù)為。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)。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。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。根據(jù)以上分析，光波相位的變化可以表示為： （32）上面表達(dá)式中第二個(gè)等號(hào)右邊第一項(xiàng)因式表示由傳感光纖自身長(zhǎng)度變化引起的相位變化（應(yīng)變效應(yīng)或脹效應(yīng)）；第二項(xiàng)因式表示由傳感光纖折射率變化引起的相位變化（彈光效應(yīng)或熱光效應(yīng)）；第三項(xiàng)因式為傳感光纖芯徑變化引起的相位變化（泊松效應(yīng)），由于其值相對(duì)很小，一般可忽略[[] 劉德明, 向清, 黃德修. 光纖光學(xué). 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社, 1995. 5557.]。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。根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變理論可知，當(dāng)傳感光纖受到均勻振動(dòng)作用時(shí)，可求得其正應(yīng)變矢量ε為： （34）式中是光纖的泊松（Poisson）常數(shù)，是光纖的彈性模量。根據(jù)彈光效應(yīng)公式有： （35）其中為彈光張量分量，由于傳感光纖在均勻振動(dòng)壓強(qiáng)作用下不產(chǎn)生剪切應(yīng)力，故僅存在分量，即 （36）對(duì)于均勻的各向同性材料，在受非軸向應(yīng)力參量的情況下，三個(gè)基本軸方向的光學(xué)指標(biāo)變化量與相應(yīng)方向的應(yīng)變存在如下的關(guān)系： （37）式中，所以；、等為應(yīng)變光學(xué)常數(shù)；和為光纖的橫向應(yīng)變且=，為光纖的縱向應(yīng)變。對(duì)于普通的石英材料光纖，其三個(gè)基本軸方向的折射率都近似為，因此有： （38）將上式及=帶入（37）中可得： （39）下面討論一下幾種常見(jiàn)情況下引起的相位變化（1）縱向應(yīng)變引起的相位變化在式（32）中，由于第三項(xiàng)比前兩項(xiàng)小的多，因此可以忽略不計(jì)，又，則（311）可以簡(jiǎn)化為： （310）在縱向應(yīng)變==0時(shí)，由于光纖中光的傳播是沿橫向偏振的，因此僅考慮折射率的徑向變化，由式（39）可知： （311）將式（39）、（311）代入式（310）得： （312）（2）橫向應(yīng)變引起的相位變化對(duì)于軸向?qū)ΨQ的橫向應(yīng)變又因?yàn)榇藭r(shí)，若考慮泊松效應(yīng)時(shí)，由式（310）可得相位變化為： （313）式中為光纖傳播常數(shù)的應(yīng)變因子。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)。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)