【《高灵敏分布式光纤振动传感器的关键技术探究》17000字】

高灵敏分布式光纤振动传感器的关键技术研究目录TOC\o"1-3"\h\u15088第一章概述 383301.1论文研究的目的和意义 358371.3本文主要研究内容 513118第二章Ф-OTDR分布式光纤振动传感原理 5171372.1光纤中的瑞利散射 6319272.2OTDR技术 733152.3Ф-OTDR分布式光纤扰动传感器 8314912.3.1Ф-OTDR的基本原理 836432.3.2Ф-OTDR分布式光纤扰动传感器原理 8202982.3.3相干衰落效应 989972.3.4Ф-OTDR的定位原理 933092.3.5Ф-OTDR的声场重构原理 10246352.4本章小结 1212876第三章Φ-OTDR系统与搭建 1377663.1系统方案设计 1384343.1.1基于Ф-OTDR马赫曾德分布式光纤传感系统设计 13155213.1.2直接探测系统设计 14225283.1.3外差探测系统设计 16286233.2器件介绍 1728273.2.1超窄线宽激光器 17286883.3.2光纤放大器 1743783.3.2掺铒光纤放大器(EDFA) 1821113.3.3拉曼光纤放大器 1821943.3系统实际搭建及验证 19114583.4本章小结 213435第四章相位解调与模式识别 2235064.1相位解调 22185014.1.1信号处理 22163274.1.2结果分析 2259564.2模式识别 24316634.2.1模式的选取与定义 24243124.2.2神经网络训练结果和识别实验 25204684.2.3神经网络模式识别实验 26111404.2本章小结 2715757第五章总结与展望 27摘要分布式光纤传感技术能实现大范围测量场中分布式信息的提取，故其在目前的信息测量领域中有着广泛的应用，如分布式应力传感器可用于堤坝、桥梁等大型公共设施的安全检测；分布式温度传感器可用于大型变压器、发电机组等的温度测量；分布式振动传感器可用于长距离、大范围输油管道泄漏检测及重要区域的防入侵报警系统中。基于Φ-OTDR的高灵敏分布式光纤振动传感器的关键技术。主要研究内容及成果如下：1）综述了Φ-OTDR的分布式光纤传感系统的科学意义及研究目的，阐述了研究Φ-OTDR的分布式光纤传感系统目前主要的研究成果和发展现状。2）从Φ-OTDR的基本原理入手，从后向瑞利散射现象出发，阐述了其发生机制，并对基本原理进行理论分析，了解振动引起光纤相位变化的本质原因，并且叙述了Φ-OTDR整个系统的工作原理。3）在系统设计上设计几种方案，对系统的设计进行分析解释，最终采用外差法作为我们的系统设计方案，详细介绍了系统的具体结构、器件选取与相位解调方案。依照理论知识和方案设计进行了系统搭建。利用此平台系统进行了分布式振动和声音传感的定量化实验来记录数据和对系统的搭建验证。同时也利用此系统开始Φ-OTDR的模式识别技术，能够针对不同应用场景完成模式识别并记录实验室数据。关键词：分布式光纤振动传感系统，Φ-OTDR，瑞利散射概述论文研究的目的和意义随着当今科技的快速发展，低损耗光导纤维制作技术以及光纤通讯技术也在快速发展，所以我国的光纤传感技术也就逐步的收到了长期的发展。光纤传感技术现在目前作为光纤传播的核心技术。利用光波本身的特质来通过改变它的如下5个物理量：①振动；②磁场；③电场；④温度；⑤位移等来达到传输的能力。光纤所具有的优势如下：①光纤的质量相对于其他传感器较小，质量也较低，所以也给其带来了隐蔽性高的特点；②而且还具有耐腐蚀性高、灵敏度高、可以抗电磁干扰等特点。光纤传感器不仅具有上述的优势，甚至其在外界的适应环境的能力远大于其他的传感器。本课题研究的分布式光纤传感器，是当前光纤传感器研究中的热点，其重点是功能。光纤在该传感器中所扮演的角色是敏感元件以及光传播的媒介。我们如果想要观测光的物理参数在光纤传播过程中发生的变化，直接观测光纤就可以了。也可以说，我们的待测参数的空间、时间分布和变化在分布式光纤传感器中是一目了然的。这个改变是颠覆性的，解决了以往的老式传感器的诸多问题，其中对传感器性能提升最为显著的是分布式传感器可以进行无间断检测。所以吸引了广大学者的探索研究，并且分布式光纤传感技术可以应用大型结构健康检测，入侵检测和长距离管线状况监测。而分布式光纤传感器也有许多种，其中Φ-OTDR是最为卓越的。Φ-OTDR技术可以监测以往老式传感器不能触及的领域：①实时监测；②光纤振动。其的优势是在事件精确定位与探测距离这些方面有着不可替代的优势，也是近些年来国内外重点发展的对象。图1-1分布式光纤传感器示意图Φ-OTDR分布式传感系统是一种基于利用传感光纤对物理量进行测量的方案。Φ-OTDR其分布式光纤传感中，光纤是光传输的媒介，光要通过光纤来进行光的传递。同时光纤本身也是感知外界物理量的一种特殊的传感器。光通过传感光纤沿线中的传输过程中，在每一个为止后面都产生散射光。但是我们收集这一类的散射光就能检测到其外界的物理量的变化。这种光纤有着传感功能和集信号传输为一体的光纤传感系统击败了普通传感器只能对几个或者单个特殊位置的外界进行探测的缺点。能够达到对几十个甚至是上百公里空间上的连续检测。和我们见过的普通型传感器相比，Φ-OTDR光纤分布式传感系统抛弃了调解系统以及复用系统，从而使长距离多点的检测变为现实以及简单，光纤分布式传感目前主要被用于大型基础设施中温度、振动和应变等物理量的监测。图1-2长距离煤炭运输图1-3大型桥梁图1-4长途天然气管道图1-5地下水管道在实际工程应用中，传感系统感受到扰动信号时，这就说明了我们被检测的设备发生了安全隐患，比如在土木工程中的结构发生异常以及管道发生断裂这种例子都可以反应其设备的健康状态：车辆路过时候产生的振动，可以表示立交桥或者公路的变化。通过对震动时候特性进行数据分析，能够反映出震动的事件位置、大小与方向特性。图STYLEREF1\s16光纤传感器的实际应用分布式光纤扰动传感器因其灵敏度高，全分布式，准确的定位以及多点入侵同时检测等诸多优点在长距离预警监测场景中得到了广泛应用，多用于在国防和通讯等邻域。目前针对于扰动性质为振动的应用场景情况如表11所示表11分布式光纤在部分领域中的部分应用领域应用扰动事件扰动性质检测距离(km)国防周界安防周界入侵振动10~50能源油气管道检测施工或人为破坏振动20~80通信通信线路检测施工或人为破坏振动20~80在未来的生活中，Φ-OTDR分布式光纤传感技术一定能成为大型范围测量场中对信息测量而成为检测领域的核心技术之一，而且以后和其他的技术想结合也一定能为我们的未来生活提供便利以及举足轻重的作用。1.3本文主要研究内容本文通过围绕分布式光纤声波传感系统展开研究，分布式光纤声波传感（DAS）技术是一种可以实现振动和声场连续分布式探测的新型传感技术，利用超窄线宽单频激光在光纤中激发的相干瑞利散射对应变变化高度敏感的特性，结合Ф-OTDR原理，对与光纤相互作用的环境振动与声场信息进行长距离、定位的感知。对研究光纤中瑞利散射现象和基于瑞利散射的Ф-OTDR型传感系统的理论基础，从光纤中的瑞利散射效应出发，研究Ф-OTDR的基本检测原理，说明Ф-OTDR中相干衰落效应的来源，给出Ф-OTDR定位以及声场传感原理，并根据目前的理论基础提出对Ф-OTDR系统的设计方案，在最后选定一种适合我们实际情况的最终方案设计并进行实际搭建。最后用搭建好的系统完成相位解调和模式识别的实验，同时并来验证搭建系的完善性。论文的章节内容安排如下：第一章，介绍Ф-OTDR型传感系统的研究意义和发展应用，以及目前针对部分问题的国内外研究现状。第二章，深入理解基于瑞利散射的Ф-OTDR型传感系统的基础理论，明白振动如何影响到光纤，Ф-OTDR如何对振动定位；第三章，根据理论知识和实际情况设计分布式光纤声波传感系统并选取最优方案；第四章，依据方案搭建系统，并使用该系统进行下一步的相位调制和模式识别实验，同时也可以验证系统的完善性。第五章，对整个毕设工作进行总结，并对Ф-OTDR系统的未来前景做出展望。论文研究工作得到了北京市高水平人才交叉培养计划“实培项目”的支持，论文研究工作在中国航天科技集团公司第九研究院第十三研究所完成，在此表示感谢。第二章Ф-OTDR分布式光纤振动传感原理首先我们了解到分布式传感器有着多种优点，具体可以概括为以下四点：①探测范围广；②灵敏度高；③响应速度快；④结构构造简单。以至于他在结构健康检测，周界安防这些领域的时候享有广泛的长时间应用，给我们的生活提供了很多的便利以及拥有很广泛的前景。但是Ф-OTDR是我们把分布式传感系统变为现实的最基本的结构，这一章主要描述分析Ф-OTDR基于瑞利散射的基本原理。从光纤的瑞利散射原理作为我们的出发点来研究他的物理学机制。并且描述Ф-OTDR的传感器原理以及声音场的重构原理。在Ф-OTDR的光纤传感的系统中，我们利用基于瑞利散射向后的原理，没一条传入光纤的光束都会产生对应的向后的瑞利散射光。由于外界的相对震动对光纤的影响改变其震动位置的相对光相位，并且这个相对光相位最终影响到瑞丽散射的振幅上去，也就是利用瑞利散射的振幅的变化来表现出来。所以通过调解后瑞利散射振幅的变化可以实现相对的震动点的精确定位。2.1光纤中的瑞利散射在研究瑞利散射之前，我们应该先知道散射这一基本概念，那么散射是怎么产生的呢？我们知道，光在传播过程中基本不可避免地会撞到一些阻碍物/遮挡物，这其中有些较大的会使光进行反射，而较小的微粒则会影响光的传播方向，其传播方向会偏离原方向，向四面八方散开。瑞利散射是散射中的一种，主要是说，当光在传播过程中遇到的障碍物（导致其发生散射的粒子），其直径远小于光波波长。瑞利散射的现象最早是由英国物理学家瑞利在1900年提出来的，通常来讲是各个散射光的强度是一样的，计算公式是与波长的四次方成反比。除瑞利散射光外，会对我们的实验结果产生影响的散射光有以下两种：①布里渊散射光；②拉曼散射光。光的散射可以分为下面两种：①弹性光散射；②非弹性光散射。分类依据是光的碰撞过程。弹性光散射的光的碰撞过程具有齐次性和叠加性，即具有线性性质，而非弹性光散射则不具有这个性质。两者之间的差别在于碰撞过程中光子的能量是否发生变化，发生弹性光散射时，光子的能量不会，而非弹性光散射则一定会在某种程度上影响光子的能量，即光子的能量一定会发生改变。通常情况下，两种散射都会在介质中存在，具体情况中的具体差别在于两种散射光的强度不同。瑞利散射则属于前者，光的频率在发生瑞利散射时不会发生改变；但是拉曼散射以及布里渊散射属于非弹性散射。图2-1散射光波长关系图瑞利散射会发生在光线介质中，光纤的全部空间中都会存在光纤瑞利散射功率，散射的方向没有规律，四面八方都会有散射的存在，其中就包含着沿光纤轴向向前的以及向后的散射。后者即为瑞利后向散射。图2-2后向瑞利散射光产生原理1871年，英国物理学家瑞利对半径远小于波长的微小颗粒引起的散射现象进行研究，并提出当光束通过透明的液体、固体以及气体时都会发生瑞利散射。瑞利散射光的频率与入射光的频率相同，且瑞利散射光的强度大小由入射光波长和散射方向决定。瑞利散射光强可表示为:I(θ)=（2-1）其中，I(θ)是与入射光成θ角的散射光光强，I0则是垂直入射光的散射光光强。光纤局部密度的不均匀性会产生瑞利散射，其散射系数γ（2-2）是入射光波长,n是光纤纤芯折射率系数,p是平均光弹系数βT是假想温度下的等温压缩率,K是玻尔兹曼常数,TFP（2-3）P为脉冲的峰值功率,v是光在光纤中的速度,为后向散射光功率捕获因子,故由上式可知，瑞利散射信号的光功率正比于入射光波的功率，则瑞利散射光的功率能够反映光纤沿线的损耗信息。通过检测瑞利散射信号的功率等信息，就能够对外部因素进行传感监测。2.2OTDR技术OTDR技术主要基于后向瑞利散射光信号，用其来测量光纤是十分简便的，能够探测在光纤线路中随着各种条件变化而发生变化的损耗。瑞利散射是弹性光散射，即发生瑞利散射时光子的能量不会发生变化，瑞利散射光的波长也与入射光的波长相等，在散射中光的波长也不会发生变化，且瑞利散射光功率与入射光功率成正比。换句话说，测量后向瑞利散射光便可以知道光波沿轴向向前的传播情况，也就能知道在光纤多个位置处的衰减状况。图2-3OTDR系统具体结构图在附近有振动或扰动时，传感光纤会感受到这个振动，由于光弹效应，首先，感受到振动的位置的光的相位会改变，受到上面的影响，这个地方的后向瑞利散射光的相位也紧随其后改变。将时间转换为位置信息的公式如下：（2-4）其中，c为真空中光速，t为脉冲光在传感光纤中来回一周所花的时间，n为光纤的折射率。通过上式，我们可以准确的判断出光纤路径中发生事件的位置。系统中光电探测器的作用是接收从光纤中传回的后向瑞利散射光并进行光电转换，即输出电信号，我们的上位机接受到这个电信号之后，会对其进行数值计算得到我们想要的所有位置出的光功率。从入射光入射开始到接收到后向瑞利散射光为止，记录的这个时间段的时间，再用这个时间便可以计算出发生后向瑞利散射的位置信息。设脉冲光注入光纤的时间与传输到光纤L处产生的RBS返回到入射端的时间差为t,则距离L可表示为：L=（2-5）在光纤L处的脉冲光峰值功率为:P(Z)=（2-6）式中，α是光纤的衰减系数，P0P（2-7）光纤L处产生的RBS反向传输时同样会受到光纤损耗的影响，因此其传输到入射端的功率可表示为：P（2-8）光纤中的瑞利散射光功率随着距离的增长呈指数衰减形式,根据上式就可以确定事件发生的位置，对光纤实现全分布式监测。2.3Ф-OTDR分布式光纤扰动传感器2.3.1Ф-OTDR的基本原理将OTDR系统使用的是宽谱激光器，这会导致我们的系统并不一定能够接受到振动信号，原因是系统的信噪比极低。光与光之间会发生干涉，后向瑞利散射光也同理，这更进一步加大了我们从这些纷繁复杂的信号中识别出有用信息的难度，我们为了抵消这些影响，自然会想到拓宽激光器的线宽，但是这又会导致新的问题，我们的系统灵敏度又会受到影响而降低。作为OTDR家族最新且最具有生命力的一员，Ф-OTDR的基本原理与OTDR基本相同，与OTDR大不相同的是，Ф-OTDR使用的是超窄线宽激光器。超窄线宽激光器输出的是强相干光，即进入传感光纤的是强相干光，这导致检测到的信号变成了在脉冲所允许的范围内发生了相干干涉的后向瑞利散射光的相干干涉结果，我们就可以从系统传输回来的相干干涉结果中对发生了入侵事件的位置进行定位，从而实现我们的目的：分布式传感。2.3.2Ф-OTDR分布式光纤扰动传感器原理Ф-OTDR分布式光纤传感器工作原理如下图所示，系统由以下几个部分组成：①超窄线宽激光器；②声光调制器（AOM）；③环形器；④传感光纤；⑤光电探测器；⑥放大电路；⑦数据采集卡；⑧上位机等。在实际的工程应用中，超窄线宽激光器、声光调制器、环形器、光电检测器及其它相应的电源、驱动、检测电路和通信接口通常会被集成在传感器主机中；传感光纤布置在外场的传感光缆中。超窄线宽激光器作为光源发出的激光经声光调制器调制为光脉冲，光脉冲通过环形器注入传感光纤，传感光纤中后向瑞利散射光在脉冲宽度内发生相干干涉，干涉光强经过环形器被探测器检测，经放大后通过数据采集卡进入主机进行数据处理和结果显示。图2-4Ф-OTDR基本结构图在附近有振动或扰动时，传感光纤会感受到这个振动，由于光弹效应，首先，感受到振动的位置的光的相位会改变，受到上面的影响，这个地方的后向瑞利散射光的相位也紧随其后改变，进而影响到脉冲宽度范围里的散射光的干涉效应光强度同样跟着改变。将Ф-OTDR不同时刻的后向瑞利散射光干涉光强曲线做差，差值曲线上光干涉信号发生剧烈变化位置，对应发生扰动的位置，计算方法如公式所示：（2-9）其中，z表示扰动发生的位置，c表示真空中的光速，n表示折射率，t表示系统发出脉冲与探测器接收到后向瑞利散射信号之间的时间差。结果与OTDR系统相同。2.3.3相干衰落效应Ф-OTDR从生来就被寄予厚望，Ф-OTDR也没有辜负人们的期望，它在检测光纤中的衰减和断点等问题的方面大放异彩。但是这也是有局限性的。人们出于以下两种目的：①提升传感性能；②使系统能够用到更多领域；又提出了一种名为COTDR的系统，COTDR的特点是检测后向瑞利散射光的方法与众不同，它使用相干检测。这种方法是杰出的，它在很大程度上优化了OTDR系统，主要有：①将系统的信噪比拔高到了一个新的高度，系统能够探测到的信号可以比以前微弱的多；②系统的动态范围也提升了不止一个档次。我们对OTDR接收到的信号进行以下分析：它其实是我们的探测器量程内全部的瑞利散射光的电场做一个叠加取得的信号。若我们还采用旧式OTDR的设计采用宽谱光源，即我们系统中的光的相互干涉尺度较小。我们可以知道，互相不会发生干涉的许许多多的相干长度单元共同结合成为了探测脉冲的长度。其中的各个相干长度单元探测到的光功率之和只有内部瑞利散射光的功率之和。然而，相干长度内的每一个散射点之间又会互相干涉，这是因为散射点的分布不是根据人们的意愿来的，它是随机的，但是这些散射点又两两之间相位分布相对不变。这也就是说，我们探测器所探测到的总功率并不准确，它不仅仅是上述所有瑞利散射光功率之和。这就可能导致部分信号较强而部分信号十分微弱的情况。一般来说，当我们的OTDR系统采用超窄线宽激光器光源时，强散射信号和弱散射信号之间的比值最高可达一百。我们将这种系统中的瑞利散射强度起伏不定的情况称为相关衰落现象。2.3.4Ф-OTDR的定位原理上一节中讲到的相干衰落的产生并不是我们所期望的，它其实是一种噪声，会影响我们的OTDR和COTDR的探测结果。Ф-OTDR系统光源的线宽一般最大不会超过100kHz，原因是Ф-OTDR反而利用了这个对其他系统不利的效应来进行检测扰动，限制线宽尺度为比较小的话，我们系统中的瑞利后向散射光之间的相干衰落效应就会随之获得一定程度上的增幅。我们曾经分析过，如果系统处于一个安稳的环境，并且激光器输出的光频率也较为稳定时，我们的传感光纤中的每一处地点的瑞利后向散射光相位基本不会发生改变，也就是说RBS曲线也不会发生形变。在我们的系统感知到入侵事件时，入侵地点的光纤会因为受到力而改变形状，这会导致传感光纤的以下参数随之发生一定程度的改变：①光纤的纤芯半径；②光纤的长度；③光纤的折射率。这则会引起连锁反应：这个位置的瑞利散射光的相位会发生一定程度上的变化，其散射率同理。我们的RBS曲线也会随之发生形变，不过当然是在入侵事件对应的地点。我们如果将这个变化后的曲线与无入侵的曲线进行对比，并解调幅度，就进而能够解调出入侵事件的具体坐标。图2-5有振动情况下Ф-OTDR幅值曲线2.3.5Ф-OTDR的声场重构原理上一节中提到，在我们的系统感知到入侵事件时，入侵地点的光纤会因为受到力而改变形状，这会导致传感光纤的以下参数随之发生一定程度的改变：①光纤的纤芯半径；②光纤的长度；③光纤的折射率。然而，我们知道，只根据RBS曲线解调结果是不够的，它能且只能解调出入侵事件的具体位置信息，并不能知道入侵事件对光纤所施加的力的大小，即光纤受到的形变的具体参数是未知的。而随着上述①②③的改变而改变的还有对应地点的光的相位，我们还可以对变化后的相位与入侵前的相位进行对比，并进行数值计算，这样就得到了光线形变的具体参数。设声场作用在光纤上的长度为L，光波经过这段光纤产生的相位延迟可表示为：（2-10）其中是光波在光纤中的传输常数，是光波在真空中的波数，是光波的角频率，n是光纤折射率，ｃ是光在真空中的传播速度。对上述公式求微分可得：（2-11）根据公式可知，造成光纤相位延迟的因素包括以下三个：振动信号产生的机械应力会在光纤轴向上产生拉伸作用，引起光纤长度的变化，进而引入相位延迟：（2-12）其中，是轴向应变。泊松效应会使得纤芯的芯径发生变化，使得波矢发生变化，但波矢变化量通常较小，因此这一项引入的相位变化可以忽略不计。光弹效应会改变光纤纤芯的折射率，进而引起相位变化。根据弹性力学的原理，各向同性的材料折射率变化与应变的关系可表示为：（2-13）光弹系数可表示为:（2-14）此式代入到上式中可得：（2-15）故由光弹效应造成的相位改变为：（2-16）则受到外部作用最终产生光纤相位延迟为：（2-17）其中，ｎ，k，和都是光纤的常数，可以知道，我们如果想要知道光纤形变的具体参数，仅需知道相位在入侵前和入侵后的变化并解调即可。经过后续研究，人们发现，如果想要知道声波对光纤的影响致使形变的参数，如果我们忽略其他条件，只看光纤轴向的形变的参数变化所导致的光的相位延迟，依旧仅需知道入侵前后的相位差即可，如下图所示。图2-6外界作用引起的应变大小与相位变化关系示意图选取声场作用区域的前后两段光纤作为参考区域和，当探测脉冲入射到光纤中，在这两个参考区域产生的RBS电场表达式为：（2-18）其中和是两个参考区域内的RBS振幅，是入射光的角频率，是初始相位，是入射光的波长，L是两参考区域之间的长度，是声场引起的光纤长度变化，n是光纤纤芯的折射率，则两个参考区域的相位差可表示为：（2-19）通过一定的信号检测方法以及相应的数据处理过程就可以提取出相位变化的信息，从而获得声场作用在光纤上引起的光纤长度变化，即实现声场重构。2.4本章小结本章首先概述瑞利散射的产生机理，对基于瑞利散射的Ф-OTDR传感原理进行简单描述,并详细阐述其定位原理、声场传感原理。

第三章Φ-OTDR系统与搭建在通过对Ф-OTDR系统的理论分析后已经对整个系统原理及设计框架有了一定的理解和思路，随后进行整个系统方案的设计并搭建。由上一章节的分析可知Ф-OTDR分布式传感的工作流程和系统结构，主要包括：超窄线宽激光器、声光调制器、环形器、光电探测器、传感光纤、数据采集卡及主机等设备，依此进行方案设计并确定最终方案，随后依照方案开始实际系统搭建并检验。3.1系统方案设计3.1.1基于Ф-OTDR马赫曾德分布式光纤传感系统设计首先根据上一章学的关于Ф-OTDR的原理知识还有本科阶段的光学学习，最初设计的方案是Ф-OTDR和马赫曾德光学系统的复合方案。马赫曾德系统传感原理图如图3-1示，系统中的光源发出光，这个光是连续的，光源连接的耦合器的作用是把光分为两束，分别传入两股光纤中，这两股光纤的作用分别是：①作为参考；②感知入侵，即传感。在有事件入侵时，这两股光纤中的连续的光信号于探测器附近的耦合器开始干涉，干涉光强度为：I=（3-1）式中φ0是两束连续光的初始相位，I1和I2图31马赫曾德系统传感原理图根据已有的知识和目前的研究成果，设计采用3dB耦合器配合光纤，将连续激光分为上下两路，分别用于Ф-OTDR和马赫曾德系统，我们的集成光缆中应该含有以下部分：①参考光纤；②传输光纤；③传感光纤。将马赫曾德系统和Ф-OTDR系统整合到一起之后的系统如下图3-2所示，窄线宽光源发出连续光，经过耦合器1分为上下两束，上端连续激光被声光调制器(AOM)调制成窄带脉冲光，脉冲信号源给采集卡和AOM提供同步脉冲信号。此时脉冲光功率较小，再经过掺饵激光放大器(EDFA)进行功率放大后，通过环形器进入光缆，传感光纤中的后向瑞利散射光由探测器进行光电转换和放大，送入数据采集处理模块进行采集处理，从而形成Ф-OTDR系统；下端激光经过耦合器2分为两路，一路传感信号，一路参考信号，进入同一根光缆。两束光在3×3耦合器处发生干涉，构成马赫曾德系统。干涉信号由3路光电探测器进行光电转换和放大，通过光缆中另外三根传输光纤送入数据处理单元进行采集分析。数据采集处理模块由采集卡和上位机组成，有脉冲信号发送同步脉冲触发采集，采集卡将采集到的模拟信号转换成数字信号，最终扰动信号的信息由上位机进行显示。光缆上发生振动的位置信息由Ф-OTDR系统获得，频率信息可以由马赫曾德光学系统获得。图32Ф-OTDR马赫曾德复合传感系统Ф-OTDR系统和马赫曾德传感系统都具有各自的优缺点。本设计取两者之精华去两者之糟粕，最终取得的效果为：①定位十分精准，即空间分辨率很高；②能够响应的频率范围很宽。但是这个系统也有自己的问题所在，该系统对光源的要求较高，需要在满足超窄线宽的同时还需要连续输出。在和九院老师的讨论中，由于这种设计的成本过高并且系统的实际光路搭建十分复杂，在搭建过程会出现过多的问题，最终未被采用。3.1.2直接探测系统设计之后在和老师的讨论下决定采用直接探测的方式。直接探测主要应用于距离不长和信噪比要求调低的情况，并且有着成本低，结构简单，激光器噪声影响小等优点。直接探测的过程相对简易，如图33所示。首先，我们的光源超窄线宽激光器，它发出一束连续的超窄线宽光输入AOM（脉冲调制器）后，被调制成了一束光脉冲并输入EDFA中（掺铒光纤放大器）中，光脉冲获得了一定程度的放大，放大后的光脉冲进入环形器，环形器将其输出到传感光纤中，如果传感光纤监测到入侵事件时，其中的散射光会进入光电探测器，光电探测器进行光电转换，输出电信号，然后经由数字采集卡输入到上位机中处理。图33直接探测法设计方案系统框图并且在九院老师的辅助下参与设计labview程序，以用来控制脉冲调制器的光脉冲频率以及振动信号的幅值变化显示。前面板界面设计的程序框图如图34所示图34界面按钮程序框图配置采集卡，改变声光调制器的光脉冲频率等主要的程序设计如图35所示，通过while循环和事件结构来响应前面板按键的控制。图35调控光脉冲频率的程序框图前面板界面如图36所示图36前面板界面3.1.3外差探测系统设计当完成全部的直接探测系统工作后，因为系统设计是基于直接探测法的设计，虽然能够进行工作但是由于直接探测的系统存在光强信号较微弱，信噪比比较低这些缺点，在搭建系统后实际进行的实验探测中会出现噪声过大，探测不到振动信号等问题，所以在基于直接探测法的方式上做进一步的提升，提出外差法的系统设计。外差探测最主要的方式就是将固定频差的信号光与本振光进行干涉，从而产生拍频信号后，再通过其中提取所需要的信息，它的基本结构如图37所示。激光光源首先通过耦合器，一束光传到光纤中产生后项瑞利散射，频率记为f1，另一束光由耦合器1输出的光直接接入耦合器2作为参考光，频率记为f2，本振光与参考光在耦合器2中发生干涉分别产生拍频信号f1+f2和f1-f2的差频分量，通过光电探测器后，前者被滤除，后者被保留，解调提后取所需信息。外差探测与直接探测相比较结构更加复杂，成本更高，但是它能够获得更长的传输距离和更长的信噪比、空间分辨率。并且因为EDFA在长距离传输时，光纤放大器的级联会使得光信号信噪比的进一步恶化。因此我们又进一步采取了惨铒光纤放大器和拉曼光纤放大器相结合的方式，不仅带宽宽，噪声性能好，并且更适合远距离传输的测量，随后便根据方案选取器件和进行实际系统的搭建。图37外差探测法的系统设计图在外差设计中依旧使用直接探测过程中的labview程序面板来进行控制光脉冲的频率，波形探测则直接通过耦合器2连接示波器来进行显示。3.2器件介绍根据以上方案的设计，最终系统的主要是由超窄线宽激光器，声光调制器(AOM)，掺铒光纤放大器，拉曼光纤放大器，环形器，传感光纤和环形器组成。下面便对主要的器件进行原理解释和介绍。3.2.1超窄线宽激光器超窄线宽激光器是Ф-OTDR系统中非常重要的一环，由前文可知是区别OTDR系统的主要原因。由于OTDR中的光源线宽相对较宽，脉冲内的产生散射光不能发生明显的干涉，最终使得探测器不能探测到光纤链路的振动变化。OTDR的光源线宽有所压窄，脉冲内的干涉有利于光纤折射率变化的检测，但是其散射光与本地光并不处于同一相干长度内，光波的相位信号存在变化且信噪比较差，没法进行动态检测。Ф-OTDR正是因为光源线宽可以满足这一相干长度的要求，才能具有高的信噪比和灵敏度，进而实现实时检测。Ф-OTDR系统在光源的选择上具有非常高的要求，跟普通OTDR系统相比，Ф-OTDR系统需要更高的时间相干性，激光光源的线宽越窄，后向瑞利散射光产生的干涉现象就会越明显，系统对在相位变化上的响应也就越精确。根据Ф-OTDR的基本理论得知，为了保证散射光与本地光地相位信息地连续性和相干性，激光光源的相干长度不应小于传感光纤长度的两倍，以保证本地光与散射光的相位信息的连续性和相干性。Ф-OTDR正是使用超窄线宽激光器从而使光源线宽满足这一相干长度要求，只有这样才能具有较高的灵敏度和信噪比，实现实时检测。依据相干长度与光源线宽的对应关系，可以得出光源线宽应满足=c/2nL，式中L为传感范围或光纤长度，n为光纤纤芯的折射率。我们的光纤长度为5km，所以我们的光源线宽选取应该在2kHz左右。最终我们选择的窄线宽激光器输出光功率为10-15dBm，线宽为2kHz，结构尺寸为145*75*20mm。类型产品输出光功率(dBm)线宽(kHz)结构尺寸(mm)光源窄线宽光源10~152145*75*20*表31激光光源参数3.3.2光纤放大器光信号在传输过程中，因为光纤损耗会导致光强幅度越来越小，同时光脉冲的线宽越来越大，就会对干扰整个光纤通信系统，尤其在长距离的光纤传输或光纤通信系统上，所以直接在光路中对光信号进行放大为光纤放大器的主要功能。并且本次工作在设计中采用的是掺饵光纤放大器和拉曼光纤放大器并用的方式。3.3.2.1光纤放大器的工作原理我们本科的学习阶段可以知道，受激辐射的原理是原子基本都处于基态或者低能态E1上，在吸收hv大小的能量后，原子会从低能态E1跃迁到高能态E2上。吸收的光子能量hv刚好是低能态E1和高能态E2之间的能量差，即E2−3.3.2掺铒光纤放大器(EDFA)掺饵光纤放大器(EDFA)是目前技术最成熟，是被广泛使用的光纤放大器。它主要具有泵浦功率低，输出功率大，噪声指数和连接损耗低，输出增益高，并且可以放大多路波长的信号的优点。但是掺饵光纤放大器(EDFA)在面对更高的速率，更宽的带宽，更远的传输距离上仍存在很多不足。掺饵光纤放大器(EDFA)的成功研制，将光通信的距离延长了数千公里，光纤通信有了跨越式的发展。3.3.2.2EDFA的主要原理EDFA的受激发射过程使用的是三能级系统，如下图所示。在掺饵光纤中注入泵浦光，泵浦光的能量为E3−E2，使得处于基态的离子吸收能量后跃迁到激发态，处于激发态的离子通过自发辐射跃迁到亚稳态能级E2。由于离子处于亚稳态能级时的寿命较长，所以亚稳态能级E2与基态E1之间容易产生离子集局数反转状态。当能量大小为E2−E1的信号光子通过掺饵光纤图3-1EDFA原理图在本次实验中，我们选择的EDFA光纤放大器的输入峰值光功率为0-10dBm，输出峰值光功率为20-30dBm，光滤波带宽为50GHz。表32EDFA光纤放大器具体参数类型产品输入峰值光功率(dBm)输出峰值光功率(dBm)光滤波带宽(GHz)结构尺寸(mm)光纤放大器EDFA光纤放大器0~1020~305090*70*153.3.3拉曼光纤放大器EDFA是现在应用最广泛的光纤，EDFA光纤放大器在C波段(1530-1565nm)有着高增益，低噪声的优点，但是C波段在光纤低损耗频谱中的一段范围，不能实现大容量的要求，并且EDFA放大器的增益带宽范围仍然不够宽，不能应用于广泛情况，在更多的信道，更高的速率，更宽的带宽和更远的传输距离上，EDFA惨铒光纤放大器仍存在诸多不足。不过相对于EDFA掺铒光纤放大器，拉曼放大可以放大EDFA无法放大的波段，可以增大传输的复用程度和传输容量。拉曼光纤放大器主要是基于受激拉曼散射的光纤放大器，可以应用于任何形式的光纤，并且可以覆盖很高的波长范围，具有成本低，噪声指数小，串扰小，增益高的优点。在长距离的光通讯中，比如海岛之间，大陆与海岛之间的光通讯，采取拉曼光纤放大器的可以避免在两地之间安装中继器，具有很大的经济效益和社会意义。虽然光纤拉曼放大器具有低噪音的特性，但是瑞利散射限制了它的增益不能大于10~15dB，所以在长距离光纤传输时，一个分布式拉曼光纤放大器的增益不能够补偿一个传输跨段光线的损耗所以，在拉曼光纤放大器后面级联一个掺铒光纤放大器，构成一个混合光纤放大器，可以增大掺铒光纤放大器带宽的同时还能增加跨段距离，减小光纤的非线性影响，这也是目前光通信系统中最常用的一种方式，本系统也是采取拉曼放大器和EDFA放大器混合使用的设计，拉曼放大器的泵浦波长为1450nm，输出光功率为27dBm，工作波长为1550nm，工作温度为-10-60摄氏度，结构尺寸为150*125*30.5mm。表33拉曼光纤放大器具体参数类型产品泵浦波长（nm）工作波长（nm）输出光功率（dBm）工作温度(℃)结构尺寸(mm)光纤放大器拉曼光纤放大器1450155027-10~60150*125*30.53.3系统实际搭建及验证上文中已经主要介绍了Ф-OTDR系统的工作原理，实际搭建将围绕原理展开。最终的整体结构组成为超窄线宽激光器，声光调制器通过Labview面板控制光脉冲频率，在经过掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器进行放大，放大后的光脉冲通过环形器之后在进入光纤中，光纤中的后向瑞利散射光发生干涉效应，干涉光再进入环形器从而被探测器检测，最后再进入终端机进行显示和结果处理。在实验过程任何振动(应力变化)可以影响到光纤的折射率等因素，从而造成的相位延迟引起干涉变化，最终被探测器检测。根据系统的工作原理在老师的辅助下搭建的Φ-OTDR传感系统实物图：图3-8Φ-OTDR传感系统实物图系统通过如下图所示的传感光纤进行检测，1号光纤主要检验后端(振动部位主要在光纤末侧)，2号光纤主要检验前端(振动部位主要在光光纤前侧)，两个光纤的长度为均5km。图3-9实验用光纤系统中的光脉冲频率由上位机中的Labview程序控制，Labview程序的前面板如下图所示。将声光调制器发出的光脉冲频率设置脉冲光频率为5kHz，并且接下来的实验都将以5kHz的频率进行。接下来进行模拟实验，分别模拟无压力情况和有压力振动(人走路踩在光纤上)光纤的情况，因为光在光纤内的传播速率为2×108m/s，所以在5km的光纤中一个脉冲信号来回的时间是50ns。在采集时长上，如果采集时间越长，采集样点越丰富，但是最终由于过账的采集时间造成的保存时间过长，文件容量过大等成本因素，最终我们采取10ms的采集时间。调节示波器上信号的周期数量和左右位置，使得50个周期信号能够完整的显示在示波器的屏幕上，暂停后观察示波器屏幕上的信号的变化。图3-10光纤在静止状态下(无外力作用)的示波器波形图3-11光纤在外力作用下(人走路)的示波器波形由上图可知，当有压力作用在光纤上时，幅度有明显的降低，证明系统搭建完善，光纤可以感知到外力的变化，便于接下来进行相位解调和模式识别的工作。3.4本章小结本章节主要介绍实际的系统搭建以及部分器件的原理解释，系统搭建完毕从而准备接下来的相位解调和模式识别实验。

相位解调与模式识别4.1相位解调基于Φ-OTDR的分布式光纤声波传感系统的理论原理，我们为了能够获得信噪比更高的振动信号信息，采用了外差探测法。Ф-OTDR系统的相位解调方法主要围绕四种展开：①3×3耦合器法；②数字相干I/Q解调法；③相位生成载波法；④积分法。并且最终我们因为积分法有着避免了由于信号畸变引起的噪声，有利于消除高频噪声，提高信噪比，收受硬件干扰问题少等优点而采用。本章节主要由李佳阳同学和李子豪同学负责，不做过多阐述。4.1.1信号处理信号处理主要分为信号周期分割，确定扰动存在位置，积分法解调出振动信号幅值与相位，绘制振动信号幅值变化动态图像4个部分。4.1.2结果分析测试场景一：无振动图4-1无振动情况相位图图4-2无振动情况幅值图幅值变化动态图：图4-3无振动情况幅值变化动态图从解调出的振动信号的相位和幅值图可以看出，当将其放置在实验室中不加振动信号时，两者的图像重叠，选择了1号光纤前端的5000个点绘制幅值变化动态图，除了环境干扰和噪声，并未发现明显振动点。测试场景二：人走路（人踩在光纤上）图4-4人走路测试相位图图4-5人走路测试幅值图光纤施加振动信号后幅值变化动态图：图4-6人走路通过幅值变化动态图实验结果分析：当人走路通过光纤时，此时受力部分光纤的应力发生变化，纤芯内的折射率发生变化，导致后向瑞利散射光的物理信息发生改变。从幅值图4-5可以明显看出在0-200区间上存在明显的幅值变化，而在其后幅值曲线叠加得很好，说明此处存在振动，与之相应的相位图4-4相同区间也存在明显的变化。但是，在图4-4中1000-1400这个区间存在相位的变化，主要是由噪声和相干衰落引起的相位变化，当有明显噪声作用时，相位会随机出现正相位和负相位，相位图表示就是上下散开；而当相干衰落存在时，该位置处的相位会错乱，在此点之后相位会恢复正常，通过幅值变化动态图4-6也可以明显看到只有一处的振动，对应了人走路的过程，证明了分析结果的正确。4.2模式识别4.2.1模式的选取与定义我们选取Ф-OTDR系统相位解调后得到的对应相位和幅值作为两组特征参量。由于设备问题，我们的系统无法搬出实验室进行外场测试，故便在实验室选取了5种情况来模拟场外情况进行测试，分别是：(1)环境（无扰动）；(2)走路（人路过）(3)甩动光纤；(4)手推车路过；(5)满载手推车路过五个模式主要内容：(1)环境（无扰动）：在实验室午休以及下午下班后的相对较为安静噪音小的时间获取多组数据。(2)走路（人路过）：将光纤铺到地面上，让三位体重不同的人踩到光纤路过，获取多组振动数据。(3)甩动光纤：卷起10米长左右的部分光纤，以每次不同的力道、速度甩动它，并记录多组数据。(4)手推车路过：以实验室常见的搬运实验仪器的手推车（车上无任何东西），推过光纤附近，碾过光纤，获取多组数据。(5)满载手推车路过：以三个人不同重量的人分别站在车上，推过光纤附近，并碾过光纤，获取多组数据。选取了二层神经网络模式识别的方法，神经网络图如图4-7。图4-7神经网络图4.2.2神经网络训练结果和识别实验我们选取了多组区别不同的模式并进行了多次训练，实验结果如下图4-8混淆矩阵图4-9受试者工作特征曲线经过李子豪同学多次训练调试实验之后，将训练结果稳定到80%以上，并以此建立了神经网络。接下来就是使用这个搭建的神经网络来对我们之前测量的大量模式数据进行模式识别。4.2.3神经网络模式识别实验在训练神经网络时，我们对模式进行了二进制定义，即每个模式对应一个二进制输出，这五种模式的二进制数分别是:(1)环境（无扰动）：001；(2)走路（人路过）：010；(3)甩动光纤：011；(4)手推车路过：100；(5)满载手推车路过：101。当我们的神经网络训练完毕后，使用该网络进行模式识别便是输入之前测量到并经过相位解调出来各个模式的数据，规模为五模式一组，留出输出模式的位置看二进制数结果，网络识别出模式后会将该模式对应的二进制数显示出来，这样我们就能看到模式识别的结果。我们使用5个模式一组的数据做了三次模式识别实验。在模式识别后，该组数据就会携带上神经网络所识别出来的模式所对应的二进制数，如下图4-10所示。可以看出，在表中的V、W、X列被输入了二进制数001，刚好对应了环境（无扰动）的模式。故此次的模式识别可以称作成功。图410第一组模式环境数据模式识别实验结果我们一共做了三组实验，每一组都含有我们定义的五个模式，其中只有一组中的甩动光纤模式识别错误，如下图图411识别错误的模式数据我们之前对甩动光纤模式定义的二进制数为011，而我们的神经网络对这组数据进行模式识别后的结果是001，即误将甩动光纤的模式识别成了环境模式。可能的原因有两种：①这组模式数据在测量时出现了问题，可能是未检测到扰动，也可能是扰动过轻，导致该组数据实际上更加接近无扰动的情况，即更加接近环境的模式。②我们在对神经网络进行训练时获得的最终结果是正确率80%左右，可能单纯是神经网络的识别错误。4.2本章小结本章介绍了实验系统的的具体结构图和实际搭建的样机，解释了如何用积分法处理振动信号从而得到幅值和相位，并且进行解调获取振动信号的幅值与相位，并帮助两位同学测试了不同的场景，根据相位图，幅值图和相位图进行分析，最终得到了振动来源的具体物理参数。之后建立神经网络并且使用训练好的神经网络选择五种模式共三组数据进行模式识别，效果理想。总结与展望本文基于Ф-OTDR分布式光纤传感器系统，从Φ-OTDR的基本原理入手，从后向瑞利散射现象出发，阐述了其发生机制，并对基本原理进行理论分析，了解振动引起光纤相位变化的本质原因，并且叙述了Φ-OTDR整个系统的工作原理。在系统设计上设计了几种方案，对系统的设计进行分析解释，最终采用了外差法作为我们的系统设计方案，详细介绍了系统的具体结构、器件选取与相位解调方案。依照理论知识和方案设计进行了系统搭建。利用此平台系统进行了分布式振动和声音传感的定量化实验来记录数据和对系统的搭建验证。同时也利用此系统开始Φ-OTDR的模式识别技术，能够针对不同应用场景完成模式识别并记录实验室数据。由于个人理论知识水平以及现场实验环境，没法设计更精确与复杂的系统。并且也是在老师的辅助与解答下完成自己的工作，在实际搭建完系统后，在后续的相位解调过程中，也出现了振动较小时无法检验的情况，后续可以进一步优化整体的系统，采取更好的方案设计来达到更精准，灵敏度更高的要求。最后Φ-OTDR在事件精确定位、传感探测距离等方面具有不可替代的优势，它代表了光纤传感技术在现阶段的发展方向，必将为光纤传感产业带来巨大的变革。参考文献[1]高桥清，庄庆德.展望21世纪新技术革命中的传感器[J].传感器技术，2001,20(1):1-3[2]吕月兰，行永伟.相位光时域反射计瑞利散射波形特性研究[J].光学学报，2011.08,31(8):0819001-1-5[3]陈学义，董凤忠，张晓磊，等.基于相干后向瑞利散射的分布式光纤传感系统[J].光电子·激光，2013.09,Vo1.24,No.9:1779-1783[4]周正仙,段绍辉，田杰,等,分布式光纤振动传感器及振动信号模式识别技术研究[J],光学仪器,2013,35(06):11-15.[5]耿军平，蒋佩漩，韦高，等.基于布里渊散射的分布式光纤传感器的进展阴.测试技术学报2002,16(2):87-91[6]刘建霞.Φ－OTDR分布式光纤传感监测技术的