【文章內(nèi)容簡介】 器在OTDR系統(tǒng)中，如果光源的線寬足夠窄，相干度很高，那么從光纖的不同部分返回的散射光會發(fā)生干涉。利用這種散射光的相干性設(shè)計出的相位敏感型光時域反射系統(tǒng)，可以探測出傳統(tǒng)OTDR系統(tǒng)無法察覺的弱信號的干擾。相位敏感OTDR（)與傳統(tǒng)型OTDR最大的不同就是采用了相干光源，并且要求光源具有窄線寬和低頻率漂移特性。2008年，謝孔利等［9］提出了一種采用大功率超窄線寬單模光纖激光器作為光源的分布式傳感系統(tǒng)。激光器結(jié)構(gòu)如圖210所示。 圖210 激光器結(jié)構(gòu)激光腔由兩個光纖布拉格光柵（FBG）與一段很短的高增益有源光纖熔接在一起組成，超窄帶光纖布拉格光柵（NBFBG）和另一個寬帶、高反射率的光纖布拉格光柵（WBFBG）形成激光腔，該激光器的線寬 ｆ≤3 KHZ，頻率漂移很小，在正常的實驗室條件下為1~ MHZ／min ，輸出功率為50mw。實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖211所示。光纖激光器發(fā)出的連續(xù)光，經(jīng)過電光調(diào)制器（EOM）后產(chǎn)生光脈沖，光脈沖被摻鉺光纖放大器（EDFA）放大，由帶通濾波器（BPF，包含F(xiàn)BG的結(jié)構(gòu)）濾除自發(fā)輻射光后通過一個3dB耦合器進入傳感光纜。用帶有前放和濾波功能的光電探測器探測后向瑞利散射光，采用300 KHZ的低通濾波，用采樣率為50 MS／S的數(shù)據(jù)采集卡（DAC）采集數(shù)據(jù)，并用 MATLAB軟件處理數(shù)據(jù)。傳感光纜采用普通單模光纖制成的直徑3mm的細光纜，并埋設(shè)于室外。定位精度可達到 50m，定位范圍可達到14km，信噪比約為12dB，且靈敏度較高。圖211 實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖［9］ 長距離干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)傳統(tǒng)觀念認為，干涉儀多用于高靈敏度的點式傳感器如水聽器（又稱水下傳聲器（underwater microphone），是把水下聲信號轉(zhuǎn)換為電信號的換能器），而由于相干條件的限制難以做到長距離。隨著激光器技術(shù)的發(fā)展，達到 ?kHZ線寬的激光器逐步問世，激光光源的相干性越來越強，使得長距離光纖干涉儀成為可能。特別是薩格納克干涉儀，其自身具有的對稱平衡性使其可以工作于低相干光條件下，因此近年來對長距離干涉技術(shù)的研究也越來越廣泛，成為分布式傳感的一個重要分支。干涉技術(shù)最大的優(yōu)點是干涉檢測的靈敏度極高，光纖本身既是傳輸媒質(zhì)又是感知元件，光纖上任意一點都是傳感單元，能夠?qū)崿F(xiàn)“海量”檢測，是一種真正意義上的全分布式光纖傳感器。同時相比于后向散射型分布式傳感器，干涉儀探測正向傳輸光信號變化的方向發(fā)展，因此測量信噪比和準確率都高得多，傳感距離也長得多，數(shù)據(jù)處理簡單，實時性好。干涉儀不僅適合測量靜態(tài)、半動態(tài)信號，更適合于動態(tài)信號的檢測。由于干涉儀屬于相位調(diào)制型傳感器,長距離干涉儀沿線的相位積累和正向光傳輸使得如何準確定位信號成為分布式傳感中的一大難題，目前國外研究取得了一定的進展，在已經(jīng)報道的技術(shù)中，大多采用將馬赫—澤德、薩格納克以及邁克爾遜等干涉儀混合使用，通過特殊光路結(jié)構(gòu)使得兩個干涉儀共享同一條傳感光纖，并采用光纖延時線使得兩個干涉儀之間產(chǎn)生光程差，從而依靠兩個干涉儀的輸出得到待測量的大小和發(fā)生位置，實現(xiàn)分布式測量。基于上述原理的分布式長距離干涉?zhèn)鞲衅鲝奶厥饨Y(jié)構(gòu)設(shè)計上實現(xiàn)了分布定位，而對多點同時發(fā)生干擾的情況無能為力，這實際上限制了其在長距離分布式傳感器中的應(yīng)用。Russell S J 等人提出了一種基于雙薩格納克干涉和波分復(fù)用技術(shù)的分布式光纖傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)多點干擾檢測和定位，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。 基于光纖干涉儀的準分布式光纖傳感技術(shù)常用的光纖干涉儀主要有馬赫—澤德干涉儀、邁克爾遜干涉儀和薩格納克干涉儀，由于光纖干涉儀屬于相位調(diào)制型傳感器，最終表現(xiàn)為輸出光強受到調(diào)制。因此這類傳感單元主要以時分復(fù)用和空分復(fù)用為主，且由于馬赫—澤德干涉儀的直線平衡結(jié)構(gòu)，串并聯(lián)使用方便，因此在準分布式傳感中應(yīng)用最為廣泛。由于干涉儀輸出光強是相位變化的非線性函數(shù)，要想獲得待測參量的大小，必須從調(diào)制光強中恢復(fù)相位調(diào)制信息，因此馬赫—澤德干涉儀關(guān)鍵技術(shù)是相位解調(diào)方法，近年來國內(nèi)外經(jīng)研究形成了多種解調(diào)方法，如零差解調(diào)法和外差法解調(diào)等。 基于FBG的準分布式光線傳感技術(shù) FBG傳感表現(xiàn)為中心波長調(diào)制（或波長編碼），通過對FBG反射波長移動的監(jiān)測即可測量外界參量的變化，探測能力不受光源功率波動、光纖彎曲損耗、探測器老化等因素的影響，適合長期安全監(jiān)測。鑒于FBG對溫度、應(yīng)力、壓力和振動等外界參量的高靈敏度傳感功能，同時又具有體積小、動態(tài)區(qū)間寬、可靠性高、可大規(guī)模生產(chǎn)和遠程操控能力強等突出優(yōu)點，因而成為目前光纖傳感領(lǐng)域內(nèi)最有力的競爭者。為了將FBG更好的應(yīng)用于分布式光纖傳感器中，增加可檢測區(qū)域范圍，提高檢測空間分辨率和精度，同時降低系統(tǒng)成本，如何有效提高FBG的復(fù)用能力是急待解決的技術(shù)難題。目前對光纖光柵復(fù)用技術(shù)的研究受到廣泛關(guān)注。復(fù)用的FBG主要有兩種：中心波長不同的非同光柵以及中心波長、帶寬、敏感特性均一致的全同光柵。3 分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分布式光纖傳感器作為近二十年內(nèi)才發(fā)展起來的新型監(jiān)測技術(shù)，經(jīng)歷了理論研究、傳感器研制、室內(nèi)試驗、工程應(yīng)用等階段。目前，已有多家公司可提供性能穩(wěn)定的BOTDA/R，依托商業(yè)化的傳感器，國內(nèi)外學(xué)者進行了一系列室內(nèi)試驗和現(xiàn)場應(yīng)用，主要進行了分布式光纖傳感器標定，研制新型傳感器封裝方式，開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域等工作。在試驗室研究方面，吳智深對基于BOTDR的光纖變形檢出特性進行了試驗研究，包括光纖拉伸和壓縮試驗，有利于理解光纖所測應(yīng)變數(shù)據(jù)的意義。索文斌提出了釆用等強度梁和BOTDR標定傳感光纖的溫度頻移系數(shù)及應(yīng)變頻移系數(shù)的方法，為將普通通訊光纖標準化為分布式光纖傳感器進行標定。高俊啟通過將分布式傳感光纖布設(shè)在鋼筋和混凝土表面，通過靜載試驗研究了試驗梁性能，同時對的測量誤差進行了分析。同時，分布式光纖傳感技術(shù)最大的優(yōu)點在于其可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)物理量的分布式監(jiān)測，能克服了傳統(tǒng)點式傳感器存在漏檢現(xiàn)象的缺點，使其在結(jié)構(gòu)完整性評估、裂縫監(jiān)測等方面具有一定的優(yōu)勢。Nishio采用PPPBOTDA測試了埋設(shè)在由復(fù)合材料組成的梁內(nèi)部的光纖應(yīng)變，驗證了由分布式應(yīng)變反算結(jié)構(gòu)變形的可行性，后期將該技術(shù)應(yīng)用在平板變形反演中，Akiyoshi等人將技術(shù)應(yīng)用于2000年美洲杯帆船賽的曰本隊帆船優(yōu)化設(shè)計中，通過測試數(shù)據(jù)評估了曰本隊帆船的完整性和受力作用下的響應(yīng)。Takeda等人釆用AQ8602B型對飛機機身的片狀結(jié)構(gòu)的制造過程及后期加載進行了應(yīng)變檢測，提出通過分析布里淵頻譜提高空間分辨率及識別動態(tài)應(yīng)變，依托上述技術(shù)建立飛行器應(yīng)變檢測系統(tǒng)。Lee提出一種結(jié)合分布式光纖傳感技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)構(gòu)損傷方法，并在對一根具有預(yù)制裂縫的梁進行了測試。Zhang 利用BOTDR對裂縫進行了監(jiān)測并分析其應(yīng)用于裂縫監(jiān)測的可行性。Zou通過試驗提出了利用布里淵散射的光纖應(yīng)變判斷裂縫開展過程。Lu等人將裂縫監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于某新青鋪裝層的裂縫監(jiān)測中。錢振東等人開展了基于BOTDA的橋面板疲勞裂縫監(jiān)測研究，利用光纖應(yīng)變得到了疲勞擴展模型。布式光纖傳感技術(shù)還具有化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點，可在銹獨、潮濕、高溫等環(huán)境中存活。軒元認為當鋼筋銹蝕到一定程度之后，在局部銹燭區(qū)域鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能下降，導(dǎo)致鋼筋以及周圍混凝土的應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)生變化，通過比較不同時間的BOTDA監(jiān)測結(jié)果可推斷出鋼筋的銹燭狀況。甘宇寬將傳感光纖按一定的方式布設(shè)在被測物的內(nèi)部和表面，監(jiān)測被測混凝土在鋼筋銹姓情況下的銹脹力以判斷鋼筋銹燭的過程。Pamukcu設(shè)計了基于布里淵散射的含水量光纖傳感器，采用親水聚合物作為含水量的傳感元件，并將其僅僅纏繞在光纖周圍，水分變化將引起聚合物膨脹或收縮，從而產(chǎn)生光纖應(yīng)變，其值變化反應(yīng)了含水量變化過程。在將分布式光纖傳感器應(yīng)用于實際工程前，需考慮傳感光纖的存活問題，如不對裸光纖進行合理的封裝和保護，則難以獲取理想的監(jiān)測數(shù)據(jù)。Zeng釆用Bao等課題組研發(fā)的系統(tǒng)，采用了兩種光纖保護方式，一種是將光纖埋入玻璃纖維筋（GFRP），另一種是釆用環(huán)氧樹脂將光纖枯結(jié)在鋼筋表面，結(jié)果表明上述方式保護的光纖均能存活并具有備好的測試結(jié)果；Matta以鋼纖維帶的形式在鋼橋表面布設(shè)分布式光纖，可