干涉型分布式光纤振动传感系统研究本科毕设.doc

干涉型分布式光纤振动传感系统研究摘 要光纤传感技术是上世纪七十年代末随着光纤和光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一门新兴技术，代表了新一代传感技术的发展方向。相比于其他传统的传感技术而言，有着巨大的应用优势，光纤传感具有可集成度高、动态范围大、响应频带宽、灵敏度极高且不易受电磁干扰的优点。光纤振动传感是光纤传感技术里的新热点，在军事、工业、民用等领域得到了越来越广泛的应用。本课题，主要是对基于马赫-曾德干涉原理的分布式光纤振动传感系统的研究。本文首先介绍了光纤传感技术的发展以及国内外研究现状，对分布式光纤传感器进行分类，并特别分析和比较了三种典型的干涉技术；然后阐述了M-Z干涉型光纤振动传感系统的相位调制原理，从整体上对该系统的结构进行了设计。之后完成了基于LabVIEW的分布式光纤检测系统的设计，实现对信号的数据采集。最后根据所设计的分布式光纤振动传感系统搭建实验平台，进行干扰检测实验，并通过MATLAB实现对采集信号的分析和处理，以达到检测干扰信号的目的。关键词： 分布式光纤传感技术 相位调制 马赫-曾德干涉 LabVIEW 数据采集 MATLAB 信号处理The Research of Distributed Interference Optical Fiber Vibration Sensor SystemAbstractWith the development of optical fiber and optical communication technology, optical fiber sensing is a new and rapidly developing technology in seventy times of last century. It stands for the development direction of a new generation of the optical fiber sensing technology. Optical fiber sensors provide advantages over the existing technologies such as high integration, widely response range, wide frequency band, high sensitivity and immunity to electromagnetic interference. The perturbation sensing technology is a hot spot in the fiber sensing technology. Optical fiber sensing is more and more widely applied in the fields of military, industry and civil. This thesis, the main research is the distributed optical fiber perturbation sensing system based on Mach-Zehnder interferometer.Firstly, this paper introduces the development and research of fiber vibration sensing technology at home and abroad, classifies of distributed optical fiber sensors, and specifically analyses and compares the three typical Interferometry ; Then, it describes the principle of phase modulation of M-Z interference optical fiber vibration sensor system, and designs the structure of the system as a whole. And then completes 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 Mach-Zehnder interference LabVIEW data acquisition MATLAB signal processing目 录摘 要iAbstractii第一章 绪论- 1 -1.1 选题背景及其意义- 1 -1.2 分布式光纤传感技术的发展概况- 1 -1.3 光纤传感技术国内外研究现状- 3 -1.4 分布式光纤振动传感技术的应用- 4 -1.5 论文的主要内容- 5 -第二章 分布式光纤传感技术研究- 6 -2.1 分布式光纤传感技术的原理和特点- 6 -2.2 分布式光纤传感器的分类- 6 -2.2.1 基于OTDR的分布式光纤传感器- 7 -2.2.2 基于干涉法的分布光纤传感器- 8 -2.3 典型干涉技术介绍和比较- 9 -2.3.1 典型干涉技术- 9 -2.3.2 各类干涉技术比较- 11 -2.4 本章小节- 12 -第三章 基于M-Z干涉原理的分布式光纤传感系统- 13 -3.1 分布式M-Z振动传感原理- 13 -3.1.1 光相位调制原理- 13 -3.1.2 光纤振动传感系统的相位调制- 18 -3.2 M-Z干涉型分布式光纤振动传感系统结构设计- 19 -3.3 本章小结- 20 -第四章 基于LabVIEW的分布式光纤检测系统设计- 21 -4.1 LabVIEW概述- 21 -4.1.1 LabVIEW虚拟仪器简介- 21 -4.1.2 LabVIEW的结构- 21 -4.1.3 LabVIEW的优势- 23 -4.2 基于LabVIEW的分布式光纤检测系统设计- 23 -4.2.1 数据采集原理及采集卡介绍- 23 -4.2.2 分布式光纤检测系统的设计- 25 -4.3 本章小结- 30 -第五章 基于M-Z干涉原理的分布式光纤传感系统扰动检测实验- 31 -5.1 基于M-Z分布式光纤传感系统实验平台- 31 -5.2 基于M-Z分布式光纤传感系统扰动检测实验- 34 -5.2.1 原理性实验- 34 -5.2.2 干扰信号以及振动频率的检测- 34 -5.3 数据处理与分析- 36 -5.4 本章小结- 39 -第六章 全文总结与展望- 40 -6.1 全文总结- 40 -6.2 系统改进及展望- 40 -参考文献- 44 -致 谢- 44 -第一章 绪论1.1 选题背景及其意义光纤通信技术与光纤传感技术是光电子科学领域里两大重要的组成部分。上个世纪来，光纤通信技术的发展是日新月异、突飞猛进，大传输容量、高可靠性的光网络已经在很多发达国家和地区进入实用化的阶段。随着光纤通信技术的发展，光纤传感技术也取得了巨大的发展与突波。光纤传感技术以光纤作为传感感应元件，可用于检测分析振动、压力、温度、应变、加速度、电流、电压、磁场、频率、热感应等物理量。经过几十年的研究和发展，目前已有一百多种光纤传感器应用于军事、工程、勘测、安保、医疗等多个方面参考文献 Culshaw B, Dakin J. 光纤传感器技术. 李少慧，宁雅农译. 武汉：华中理工大学出版社, 1997.56-63.。我国对于光纤传感技术的研究始于上世纪八九十年代，至今也已取得了长足的进步。光纤传感技术，集成了在光纤技术、激光技术和光电探测等多领域所取得的巨大成就，表现出极具活力的发展前途，是一个具有广阔发展前景的技术领域。与其它传统的传感技术相比，光纤传感技术有着巨大的优势。光纤传感可以不受电磁波的干扰、体积小、重量轻、噪声低、信号容量大、反应速度快，可靠性高，而且光纤本身既可以作为传感感应元件又可以作为信号传输媒介这一特征，决定了其在实现长距离大范围的全分布式传感技术领域有着无可替代的地位。分布式光纤传感技术，作为光纤传感技术的重要组成部分，由于能获得被测量在空间和时间上连续分布，再加上光纤作为传感元件具有诸多优点，是工业和研究领域同时获取被测物理参量的空间分布状态和随时间变化信息的重要手段 范志刚，左保军，张爱红. 光电测试技术. 北京：电子工业出版社,2008.295-299.。因此国内外许多研究机构和公司都投入大量人力、物力、财力进行该方面的研究工作，分布式光纤传感技术得到了快速发展，基于各种原理的分布式光纤传感器被研发出来，并且逐渐从试验研究走向实际应用。本课题是在前人的研究成果的基础之上，采用分布式光纤振动传感技术，以期望能够充分发挥分布式光纤传感的优势，实现分布式光纤传感技术在实际中的应用，同时结合相应的信号处理技术，通过分析光纤中的信号变化从而对入侵区域进行判断，实现对外界扰动信号的检测。根据该技术设计的分布式光纤传感振动系统可应用于周边警戒领域，而且系统结构简单，灵敏度高，可扩展性强，实现大规模应用后在成本上也有一定的优势，因此对这一系统的研究具有很高的科研价值与商用价值。1.2 分布式光纤传感技术的发展概况高锟博士于20世纪60年代在他著名的论文光频率的介质纤维表面波导中指出：“只要设法降低玻璃纤维中的杂质，就能够研制出可用于通信的传输损耗较低的光导纤维”。这一预言，拉开了人类通信史上新的革命的序幕。20世纪70年代，随着美国康宁公司与贝尔实验室相继在光纤制作技术上取得重大突破，光纤作为一种新型的通讯载体逐渐实现了商用化。自从光纤投入商业应用之后，光纤通信技术取得了长足的发展 王文刚. 马赫-曾德分布式光纤振动传感系统的研究：硕士学位论文. 武汉：华中科技大学，2009.。光纤传感技术就是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的一门崭新技术。在光通信系统中，光纤被用来作为远距离传输光通信信号的媒质，但是，在实际光传输过程中，光纤易受外界环境因素的影响，如温度、压力、电磁场等的变化，将引起光波量如光强度、相位、频率、偏振态等光波量的变化，于是，人们逐渐认识到，通过检测光纤的这些量的变化，就可以获得相应的许多性质，用于探测各种物理量，因而光纤传感技术引起了人们的重视，并逐渐成为一个很有生命力的研究和应用领域，光纤传感技术就得到了迅猛的发展。一般传统的光纤传感技术对上述的物理量的测量都是单点测量，由多个分布在空间预知位置上的分立的光纤传感器，采用串联或其它网络结构形式连接形成，利用时分复用、频分复用、波分复用等技术，共用一个或多个信息传输通道所构成的分布式的网络系统。它可以较精确地同时或分时得到预知位置上被测量信息的空间分布，还可以同时得到某一或某些空间点上不同的被测量的分布信息，但它只能得到预知离散空间位置上的传感信息，仍存在传感“盲区”，测量范围比较小，并且在一般情况下其结构较复杂、成本较高。为了解决上述存在地问题，全分布式光纤传感技术应运而生，它是利用一根光纤作为延伸的传感元件，光纤上的任意一段既是传感单元，又是其它传感单元的信息传输通道，因而可获得被测量沿此光纤空间和时间变化的分布信息。而且由于只利用一根光纤取代大量的分立传感器进行测量，大大降低了造价，性价比很高，因此得到广泛的应用。分布式光纤传感技术发展至今，主要有两大类：一是准分布式光纤传感；二是全分布式光纤传感 王惠文，江先进，赵长明等. 光纤传感技术与应用. 北京：国防工业出版社，2001.81-87.。区别在于全分布式技术比起准分布式技术，具有无盲区的特点。在全分布式系统中，作为传感的光纤上每一点都是感应单元，在光纤长度范围内连续探测，真正做到无盲区。从理论上来说，全分布式传感技术可以达到传感距离无限长、分别率无限低、信息容量无限大，同时还兼具光纤本身的种种优点，是目前国内外研究的热点 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）：249-256.。目前的分布式传感技术基本上是探测光纤轴向的一维信息，随着探测范围和信息量的增大，二维的分布式光纤传感网络是分布式光纤传感技术发展的一个重要方向 朱燕，代志勇，张晓霞等. 分布式光纤振动传感技术及发展动态. 激光与红外,2011,41（10）：1072-1075.。尽管各种分布式光纤传感技术的机理都相对成熟，但在面向实际应用时还存在很多问题，包括光纤传感器系统的成本、可靠性以及灵敏度等。开发新型传感材料、开发多用途和智能化的分布式光纤传感系统 梁大开，袁慎芳,陶宝琪等. 应用于智能结构的光纤传感新技术研究. 航空学报，2001, 22（4）：326-329.以及这类系统灵敏度的提高和成本的降低等也是分布式光纤传感技术的另一发展方向。1.3 光纤传感技术国内外研究现状光纤传感技术是上世纪80年代，伴随着光通信技术的发展而逐步发展起来的新兴技术，由于具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、电绝缘性好、耐腐蚀、安全可靠、可构成光纤传感网络等诸多优势，在航海航天、石油开采与传输、仪表仪器、医疗器械、水利水电、桥梁建筑、核工业、安全防护等众多领域均有广阔的应用前景，成为当今极具发展潜力的技术之一，国内外很多公司和科研机构都开展了这方面的研究工作。在国外，美国对光纤传感技术的研究最早，投资最大，仅1983年就投入亿美元，主要的研究机构有美国海军研究所、国家宇航局（NASA）、西屋电器公司、斯坦福大学等，主要研究方向有6个：光纤传感系统（FOSS）、现代数字光纤控制系统（ADOSS）、光纤陀螺（FOG）、核辐射监控（NRM）、飞机发动机监控（AEM）、民用研究计划（CRP）。值得一提的是，美国这些科研机构在大力开展光纤传感技术的实验室研究的同时，还特别注重光纤传感技术的实际开发与运用，着重研究光纤传感器的工业化生产技术，并达到了较高的水平，迅速形成具有竞争力的新兴产业。日本在20世纪80年代制定了“光应用计划控制系统”7年规划，投资达70亿美元，规划的主要目标是解决强电磁干扰和易燃、易爆等恶劣条件下的信息测量、传输和全过程控制问题。在日本光产业振兴协会的组织协调下，由住友电工、东芝、日本电气、东京大学等十五家公司和研究机构组成的研究开发集团，经几年的努力，开发出具有一流水平的民用光纤传感器，如可视图像监视光纤传感器、光纤流量传感器、波长扫描型光纤温度传感器等，这些产品很快便形成了一定规模的工业化生产，并在市场上得到了广泛的应用。在欧洲，英国的标准电讯公司、牛津大学、南安普顿大学、法国的汤姆逊公司、德国的西门子公司等公司和大学也对光纤传感技术投入了大量经费进行研究。随着工艺水平的提高以及计算机技术在光纤传感技术中的应用，基于光纤传感技术的光纤传感系统的可靠性、灵敏度等相应技术指标也有很大提高，光纤传感系统正逐步从实验室走入市场 Juan C J, Eric W M,Kyoo N C. Distributed Fiber-Optic Intrusion Sensor System. Journal of Light wave Technology.2005,23（6）：2081-2087.。目前，美国、西欧和日本已经开发出了许多光纤传感系统的商用产品，例如澳FFT（Future Fiber Technologies）公司的用于边界监测的Secure Fence系统、以色列MAGAL集团公司Intelli-Fiber振动传感光缆探测系统、英国Sensa公司的用于测量光纤沿线温度变化的光纤线性测温系统、美国MOI（MICRONOPTICSINC）公司的基于OTDR技术的分布式传感系统等。在国内，我国对光纤传感技术的研究也很重视，1983年召开了光纤传感技术的第一次全国会议，并在“七五”规划中提出了15项光纤传感技术项目，其中有光纤放射线探测仪、光纤位移传感器、光纤陀螺、集成光学传感器、医用光纤传感器、光纤传感器用的有源、无源器件的研制。之后国家发展计划委员会和科学技术部于1999年制定的当前优先发展的高技术产业化重点领域指南以及2001年对该“指南”进行的修订都把光纤传感技术为重点发展的内容之一。目前国内光纤传感技术的主要研究工作在高校和研究所进行，如南京航空航天大学、华中科技大学、西安交大、南开大学、复旦大学、中科院物理所、核工业总公司九院、核工业总公司九院等单位。研究领域主要集中在光纤温度传感、压力传感、流量、电压、位移、振动、光纤陀螺以及利用光纤传感系统对材料和结构的健康状况进行监测等，并已取得了一定的实验成果，其中相当数量的研究成果具有很高的使用价值，有的甚至达到了世界先进水平。不过由于基础薄弱、工艺水平低和相关技术的落后，大多数产品或处于实验室研制阶段，我国的光纤传感系统技术与这些发达国家相比有较大的差距，且商业化水平不高。因此，我们应该加大对光纤传感技术研究、开发的投入，缩短我国光纤传感技术与外国的差距，促进我国仪器仪表工业和光纤传感系统产业的发展。1.4 分布式光纤振动传感技术的应用分布式光纤振动传感器作为分布式光纤传感技术的一个重要分支，利用光波在光纤中传输时相位、偏振等对振动敏感的特性，连续实时地监测光纤附近的振动。由于具有抗雷电、电磁和射频干扰，耐高温高压、耐化学腐蚀，灵敏度高，价格便宜，能在易燃、易爆的恶劣环境中工作，布置灵活等优点，在军事和民用方面都有广泛地应用 秦培林，杨春森. 光纤振动传感器在安防周界中的应用. 装备制造技术,2005,（4）：11-13.。在军事运用方面，在一些重要的军事基地、监狱和国界边境线上，传统的防范措施是在这些区域的外围周界处设置一些屏障，如围墙、栅栏、钢丝网、视频监控等，并安排人员巡逻。但是栅栏会受到人为的破坏，人力防范往往受到时间、地域、人员素质和精力等因素的影响，难免出现漏洞和失误，而视频监控中若采用定点监控则监控范围小，采用连续扫描则会造成资源浪费，此外还易受安装环境影响，存在监控盲区。分布式光纤振动传感技术能克服上述的问题，在周界安全防护中形成一道人眼看不到的“电子围墙”。在军事航空领域，在机翼中埋入分布式光纤振动传感器，用于动态振动信号的测试，它既不影响飞行时空气动力学性能，又能实时、充分、安全地提供机翼振动信息。试验表明，当翼型变化角度攻击时，该光纤传感系统能成功的监测翼体动力学不稳定现象 徐海伟，曾捷，梁大开等. 可变体机翼多物理场分布式光纤集成测试技术. 航空科学技术,2011（,1）：42-45.。在民用方面，可用于桥梁、隧道等大型设施的安全监测，实时地得到断裂或破损导致的振动信号，判断结构损坏的情况，同时有效地给出发生损害的位置，从而能及时的进行交通疏导和修复。除此之外还可用于油气管道的自然形变或人为挖掘等破坏情况的监控 胡志新，张陵，乔学光等分布式光纤布拉格光栅在油气管道检测中的应用应用学2000, 21（4）：35-37.，一些高级别墅、酒店的安防警戒，地震灾害的预警等。目前，分布式光纤振动传感技术已经在军事国防、大型工矿、民用安防、桥梁隧道监测等多个领域有着成功的应用，在加强国境防范、提高能源安全、改善社会治安，安全监测等方面显示了不可替代的巨大优势。随着分布式光纤振动传感技术的不断进步以及安防产业和智能监测的发展，势必将在日后的国防工业和日常生活的更多方面有着更加广泛地应用。1.5 论文的主要内容综上所述，分布式光纤振动传感技术由于具有实时无盲区检测等优势，在国防工业等领域极具应用潜力，很有必要对其实现进行系统的研究。本论文主要研究基于分布式光纤振动传感技术的光纤振动传感系统的原理及具体实现，主要内容包括以下内容：在第一章中介绍了本课题的选题背景及意义，分布式光纤传感技术的发展概况、国内外的研究现状以及应用方向；在第二章中介绍了分布式光纤传感技术的基本原理、特点以及分布式光纤传感器分类及常见的几种类型的介绍，特别是对干涉法中的几种干涉技术作了详细的介绍和比较；在第三章中介绍了光相位调制原理，重点介绍了基于该原理的M-Z干涉型分布式光纤传振动感器系统的结构设计；在第四章中介绍了分布式光纤振动传感系统数据采集的设计及具体实现，主要包括PCI-6115数据采集卡以及基于LabVIEW软件的分布式光纤检测系统设计的实现；在第五章介绍了基于M-Z分布式光纤振动传感系统的原理性实验和扰动检测实验，并对实验的数据用MATLAB进行进一步的分析和处理；在第六章中对全文进行了总结，阐述了系统的改进措施，并对今后工作进行展望。第二章 分布式光纤传感技术研究2.1 分布式光纤传感技术的原理和特点分布式光纤传感技术利用光纤同时作为传感敏感元件和传输信号介质，应用光纤几何上的一维特性，把被测量（如温度、压力、磁场、电场、位移等）作为分布光纤位置长度的函数，在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续实时的测量。具体原理路径是通过被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输光的强度、相位、频率或者偏振态等特性发生变化，再通过对被调制的光信号进行检测，从而获得被测量在空间和时间上的信息。确切的说，它可以精确测量光线沿线上任意一点的温度、应力、弯曲、振动等信息。如果把光纤纵横交错连接成网状，则可以构成规模庞大的地毯式监测网，实现对目标的全方位的检测。分布式光纤传感技术不仅具有一般光纤传感器的特点，而且充分利用了光纤空间连续分布的特点，可以实时获得光纤分布路径上被测量的时间和空间分布信息，成功地解决了其他类型传感器在很多重大应用场合难以胜任的问题，充分显示出分布式光纤传感技术的优越性和极为广泛的应用前景。一般地，分布式光纤传感技术具有以下基本特征：（1） 分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤；（2） 整个传感光纤长度内，其探测灵敏度具有一致性，而且灵敏度高，稳定性好；（3） 抗雷电、电磁干扰，耐高温高压，耐化学腐蚀，能在易燃、易爆的恶劣环境下稳定工作；（4） 信号处理系统一般具有较高的信噪比，可检测检测较微弱的传感信号；（5） 一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，若将光纤架设成光栅状，还可以测定被测量的二维和三维分布情况。2.2 分布式光纤传感器的分类目前，分布式光纤传感器的种类很多，根据监测空间范围不同，分布式光纤传感器可以分为准分布式光纤传感器和全分布式光纤传感器两类，前一章1.2有过这两类传感器的简单介绍。分布式光纤传感器还可以按照所使用的技术方法分类，主要有光时域反射法（OTDR）、干涉法、波长扫描法、连续波调频法 何存富，杭利军，吴斌分布式光纤传感技术在管道泄漏检测中的应用传感器与微系统.2006, 25（9）：8-14.。其中波长扫描法以自然光照射保偏光纤，利用FFR算法来确定模式耦合系数的分布。当高双折射保偏光纤受到外部扰动作用时，就会引起相位匹配的模式耦合，光的一部分从一种模式转换为另一种模式。由于本征模以不同的速度在光纤中传播，从藕合点到光纤输出端之间的相位变化与光程成正比，所以只要从两个本征模的相对幅度的大小，就可以得到被测量的信息。该方法分辨力高，可达到0.3cm，光源成本较低。但由于整个系统测量范围小，系统成本昂贵，不利于实用化。而连续波调频法属于光频域反射技术，起步较晚，应用不广泛。因此，实际上主要应用的分布式光纤传感技术是OTDR法和干涉法，下面将对这两种方法作详细介绍。2.2.1 基于OTDR的分布式光纤传感器目前，光纤分布式传感技术中发展最快最成熟的是基于光纤后向散射光损耗时域检测技术的光时域反射技术（Optical Time domain Reflection）。光时域反射技术（OTDR）的原理图如2-1所示，由光源发出的光在沿光纤向前传输的过程中产生后向散射，后向散射光强在向后传播过程中会随着距离增长而按一定规律衰减，而在光速不变的情况下，距离与时间成正比，因此，根据探测器探测到的后向散射光强及其到达探测器的时间，就可以知道沿光纤路径上任意一点的初始后向散射光强。图 2-1 光时域反射技术原理图光脉冲进入光纤后产生后向散射光包括与泵浦激光相同波长的弹性散射光-瑞利（Rayleigh）散射光，以及与泵浦激光波长不同的非弹性散射光-拉曼（Raman）散射光和布里渊（Brillouin）散射光。这些散射光的物理特征量（光强、偏振态、频率等）将随着外界环境干扰而改变，再结合光时域反射技术由回波时间确定环境干扰发生位置，由此获得待测参量的空间分布。目前应用光纤后向散射技术的光纤传感器己有：（1）基于OTDR的微弯应力传感器光纤的弯曲会引起传输光损耗的增加，而且曲率半径较小的微弯比曲率半径较大的渐弯造成的光损耗大得多。如果对光纤结构加以改进，加强外界作用能量的传递，当光纤某一位置受到外界应力作用时，将引发光纤内传输的光信号的特性改变，因而测量光纤沿线损耗的空间分布即可测量外界的应力场分布 李尚俊，刘永智分布式光纤应力、应变传感技术. 半导体光电，1999，20（6）：377381。（2）基于自发拉曼散射的ROTDR传感器当光信号进入光纤时，产生的自发拉曼散射光波长将相对于入射光波长发生改变，其中的斯托克斯（Stokes）散射光波长将向长波长偏移，而反斯托克斯（Anti-Stokes）散射光将向短波长偏移。这两种散射光中，Anti-Stokes光对温度更为敏感，可用作测量光。结合光时域反射技术，光纤沿线温度场的分布便可由光纤中Anti-Stokes散射光强的变化值获得 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）：1379-1380。（3）基于自发布里渊散射的BOTDR传感器光纤中产生的自发散射光包括自发布里渊散射光，而外界的作用将使布里渊散射光将产生频移，其频移量与外界作用参量的大小相关。由于自发布里渊散射频移量较小，不利于检测，T.Kurashima等人提出了相干检测法，并采用光频移环路实现了单光源的相干自外差检测，为基于自发布里渊散射的分布式检测技术提供了可行的解决方案 耿军平，许家栋，韦高等基于布里渊散射的分布式光纤传感器的进展. 测试技术学报,2004，16（2）： 87-91.。（4）基于瑞利（Rayleigh）散射的POTDR传感器当光纤振动时，光纤中特定方向的折射率会发生变化，产生感生双折射效应，从而使得入射到振动光纤中的光的偏振态发生改变，而后向瑞利散射光会保持散射点的偏振态不变，这样通过对比振动前与振动后的两偏振态的光强变化，就能分析出第一个扰动点的位置，实现分布式振动传感。但对于有多个振动点，可能会淹没在首个振动点后的偏振态抖动中，如果要实现多点定位，POTDR还有许多问题需要研究。光的偏振特性易受各种随机因素的影响，所以POTDR还需要解决的一个关键问题就是如何保持偏振态的稳定性 李香华,代志勇,刘永智. POTDR分布式光纤传感器. 仪表技术与传感器, 2009,（6）：18-20.。2.2.2 基于干涉法的分布光纤传感器干涉法是利用各种形式的干涉仪或干涉装置把被测量（如温度、应力应变、振动等）对干涉光路中光波的相位调制进行解调，从而得到被测量信息的方法。干涉型光纤传感器的最大特点是动态测量范围大、检测灵敏度非常高。加之干涉型光纤传感器技术成熟，成本低，性能高，因而近年来对干涉型传感器特别是其多路复用技术的研究掀起了高潮 J. P. Kurmeretal. Application of a Novel Distributed Fiber Optic Acoustic Sensor for Leak Detection. Distributed and Multiplexed Fiber Optic Sensors. SPIE, 1992, 1797：6371.。干涉法分为外差式干涉法和准外差扫描干涉法，前者当分布式参量如应力、弯曲等施加到单根光纤上时，在参量施加位置就会发生模式转换，测出该点的拍幅度，从而获得被测量的整个信息。该方法的分辨力与使用的光源和光纤种类有关。光源相干时间越长，分辨力越低；所用光纤单位长度上的群时延差越大，分辨力越高。所以，使用宽带光源和高双折射保偏光纤可以提高系统的分辨力。另外，该方法的系统动态范围大，信噪比高，但由于宽带光源的使用引人了其他光谱成份，从而降低了空间分辨力。探测器和电路的热噪声、散粒噪声以及光纤内部双折射的扰动也限制了其灵敏度。目前，在220m长的光纤上已实现了空间分辨力优于10m，定位误差为1.5cm。具有高耦合系数的特种光纤的研究是提高该方法定位准确度的关键。后者利用从宽带体激光器发出的线偏振光，激励高双折射光纤的一个本征偏振模，当光纤上某个位置受到外部扰动时，在扰动点偏振模的一部分耦合进入另一偏振模中。从光纤输出的偏振光经解偏器后，在干涉仪上形成干涉。目前，该方法在50m长的光纤上实现的空间分辨力为50cm，其空间分辨力与光源的相干长度和光纤的双折射率有关 骆飞, 潘英俊, 黄尚廉. 应用高双折射光纤的分布力传感技术的研究. 仪器仪表学报, 1993, 14（3）： 292-296.。采用宽光谱的光源和高双折射率的光纤可以提高系统的空间分辨力。一般地，干涉法中主要应用的干涉结构有迈克尔逊（Michelson）干涉仪、马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉仪、萨格纳克（Sagnac）干涉仪以及各干涉仪之间混合组成的结构。由于本课题所研究的分布式光纤振动传感系统也正是基于干涉传感技术，下面将对干涉仪中所使用的典型干涉技术做详细介绍和比较。2.3 典型干涉技术介绍和比较2.3.1 典型干涉技术（1）Michelson光纤干涉技术麦克尔逊光纤干涉仪的基本光路原理图如图2-2所示，激光器发出的光信号经过耦合器后被分为两束光，分别经过参考光纤臂和测量光纤臂。两束光在两臂的光纤端面处经过反射返回耦合器，经过分光后，一部分反射光会被光电探测器探测。当有振动而产生的应力作用于感应光纤上时，会导致光干涉条纹发生变化，通过光电探测器探测因为干涉条纹变化而引起的光强变化，就能测得作用在光纤上的振动和应变 刘波，杨亦飞，牛文成等. 光纤围栏技术特点及研究现状.光子技术，2004，（4）：208-213。图 2-2 Michelson光纤干涉技术（2）萨格纳克（Sagnac）干涉技术Sagnac光纤干涉技术基本光路原理图如图2-3所示，利用同一光纤环中沿相反方向前进的两光波，在外界因素影响下产生不同的相移，通过干涉效应来进行检测。如图所示其基本结构是将耦合器的输出端相连接，形成光回路。光源发出的光，经耦合器后分为两路，分别沿顺时针和逆时针方向在传感光纤中传播。当传感光纤的某处发生扰动时，会导致两束传输光波相位发生变化，两束光相位差的大小与扰动点位置、扰动噪声引起的光波相位变化速率成正比。根据这一原理即可测得作用在光纤上振动情况 罗强. 基于Sagnac环的光纤围栏报警系统研究：硕士学位论文. 武汉： 武汉理工大学，2008。图 2-3 萨格纳克（Sagnac）干涉技术（3）马赫-曾德（M-Z）干涉技术马赫-曾德干涉技术是一种非常实用的技术，其结构图如图2-4所示，由光源1发出的光，经耦合器后进入两根长度基本相同的单模光纤，两光纤输出的光在第2个耦合器处发生干涉。由于光路的对称性，由光源2发出的光，也可以在耦合器1处发生干涉。在传感光纤无扰动时，由1发出的光将在2端产生稳定的干涉条纹。同时，由2端发出的光也将在1端产生稳定的干涉条纹。在采用窄带激光作为光源时，将分别在1端和2端接到稳定的光功率（暂不考虑环境及温度变化等干扰信号的影响） 周广，赵春柳，黄勇林等. 光纤环对非平衡马赫曾德尔干涉仪型波长交错滤波器性能的改善. 光学学报, 2002, 22（6）：702-705.。图 2-4 马赫-曾德（M-Z）干涉技术2.3.2 各类干涉技术比较（1）Michelson干涉技术l Michelson干涉技术是利用光纤反射光进行干涉测量，因此，其信号比较微弱时，也可以通过在光纤后端面接反射镜以增加反射光强；l 当传感光纤上的可动反射镜每移动半个波长长度时，光探测器的输出就从最大值变为最小值，再变最大值，即变化一个周期，如果使用He-Ne激光器，这种技术能检测um级的位移，该干涉技术可用于大型工作的精密测量和长度的测量；l Michelson干涉技术需要利用复杂的解调技术进行相位解调；l Michelson干涉技术要求光源的相干长度大于光学回路的长度，因此，在长距离测量时，需要相干度极高的光源，这对光源的制作要求很高。采用移频器，在不增加光源相干长度的情况下，使传感距离增大4倍，但也仅有48m。（2）Sagnac干涉技术l Sagnac环境的两束相向光是在同一根光纤中传播的，因此在没有扰动的情况下，光程是一样的。因而，其信噪比相对其它干涉仪来说要高；l 其光路结构简单，检测灵敏度高；l Sagnac干涉技术中，对于解调电路的要求很高，必须对光源进行调制，或者对解调光路进行扫频解调，以确定其零频率点位置；l Sagnac干涉技术需要将传感光纤构成环路。因此，在传感光纤的布放时，需要将其中一路光纤进行扰动隔离，以避免由于互易效应而造成干涉信号的相消，或者采用其它技术，使传感光纤形成线性结构，但这样将造成系统成本大大提高，并且系统实现难度也进一步增大 陈德胜，都洪云，肖灵等. 基于sagnac干涉仪新型声源定位光纤传感器.光电子激光,2006,17（4）：415-418. 。（3）Mach-Zehnder干涉技术l 光路结构相对简单，对光源的相干度要求不高；l 解调技术相对简单，可以简单地采用光电检测器直接进行光功率测量；l 检测灵敏度很高且后续处理简单，在探测和信号处理方面，具有抑制光源噪声和模式噪声等特点；l 在Mach-Zehnder干涉技术中，由于采用双臂干涉结构，因此温度等环境的变化作用于传感光纤上，会引起传输光相位的变化，从而使系统的信噪比降低；通过上述的各种干涉技术的分析和比较，可以看出基于Michelson干涉技术的分布式光纤振动传感系统要求光源的相干长度大于光学回路的长度，因此，在长距离测量时，需要相干度极高的光源，这对光源的制作要求很高，这在实验室中比较难以实现。基于Sagnac干涉技术的分布式光纤振动传感系统对光纤要进行扰动隔离、后续处理也很复杂、系统无抗偏振衰落能力，且由于结构的限制，振动信号也只限于具有宽频特性的干扰信号，也不适于本实验。而基于马赫-曾德干涉技术的分布式传感系统可以简单地采用光电检测器直接进行光功率测量，对光源的相干度要求不是很高，干涉结构采用双臂干涉，其灵敏度高、结构简单而且利于扩展。在技术上也比较成熟，干涉效果好，传感能力强，在探测和信号处理方面，还具有抑制光源噪声和模式噪声等显著优点，易于进行信号的探测和处理。因此，选择采用以马赫-曾德干涉技术为基础的光纤传感单元作为本课题所研究的传感系统的光纤传感单元。2.4 本章小节本章主要介绍了分布式光纤传感器的基本原理和特点，对分布式光纤传感器进行了分类和比较，简单的介绍了反射法中的几种分布式光纤传感器。之后对典型的干涉技术作了详细的介绍和比较，最终选择了基于马赫-曾德干涉技术为基础的光纤传感单元作为分布式光纤振动传感系统的光纤传感单元。第三章 基于M-Z干涉原理的分布式光纤传感系统3.1 分布式M-Z振动传感原理本课题中，通过上述的分析，选择采用的光纤传感单元以马赫-曾德干涉仪为基础。下面具体对系统如何利用马赫-曾德干涉原理作详细的理论分析。对于干涉型的分布式光纤传感系统，其技术原理是干涉相位调制技术。将传感光纤置于待测环境中，当受到外界振动时，由于光纤应变效应和弹光效应，传感光纤受振动信号作用导致光纤自身长度、直径和折射率发生变化而使在光纤中传输的光波相位产生变化，测量传感光纤中光波相位变化即可知相应的振动情况。本系统根据马赫-曾德干涉原理，应用光相位偏移检测技术，达到检测光纤是否受外界的扰动的目的。3.1.1 光相位调制原理光纤的相位调制机理是当光纤受到外界机械振动作用或温度场的变化时，光纤的应力应变效应、热应变效应、弹光效应及热光效应等，会使光纤的几何尺寸和折射率等参数发生变化，从而导致光纤中传输的光信号产生延迟引起相位变化，以实现对光相位的调制。在相位调制型光纤传感器中，相位调制是通过光纤干涉仪的敏感光纤作为相位调制元件，将敏感光纤置于被测量的能量场中，由于被测场与敏感光纤的相互作用，导致光纤中光相位的调制。通常采用的物理效应有应力应变效应、温度应变效应等。下面以常见的应力应变效应来讨论引起敏感光纤中光相位调制基本原理。光在长度为的光纤中传输，产生的相位延迟为 （3-1）式中为光在光纤中的传播常数为，。其中为纤芯折射率，为光波在真空中的波数，是光在真空中的波长。将传感光纤置于待测环境中，当受到外界振动时，将导致一系列物理效应，使光纤的参数变化，其中光纤纵向应力的变化效应使光纤的长度产生变化；横向的泊松效应使光纤的芯径产生变化，进而使光波传播常数产生一定的变化；弹光效应和热光效应使光纤纤芯的折射率发生改变。传感光纤各种参数的变化都将会引起光纤中传输的光波相位产生相应的变化。根据以上分析，光波相位的变化可以表示为： （3-2）上面表达式中第二个等号右边第一项因式表示由传感光纤自身长度变化引起的相位变化（应变效应或胀效应）；第二项因式表示由传感光纤折射率变化引起的相位变化（弹光效应或热光效应）；第三项因式为传感光纤芯径变化引起的相位变化（泊松效应），由于其值相对很小，一般可忽略 刘德明, 向清, 黄德修. 光纤光学. 北京： 国防工业出版社, 1995. 55-57.。上式可近似为： （3-3）由应变理论和弹性效应原理可知：当受到外界振动压强作用时，单模传感光纤会产生一定的相位差。根据应力应变理论可知，当传感光纤受到均匀振动作用时，可求得其正应变矢量为： （3-4）式中是光纤的泊松（Poisson）常数，是光纤的弹性模量。根据弹光效应公式有： （3-5）其中为弹光张量分量，由于传感光纤在均匀振动压强作用下不产生剪切应力，故仅存在分量，即 （3-6）对于均