【《高灵敏分布式光纤振动传感器探究》20000字】

高灵敏分布式光纤振动传感器研究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。本课题主要致力于基于Φ-OTDR的高灵敏分布式光纤振动传感器的研究。论文主要研究内容及成果如下：1）首先综述了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）其次主要对Φ-OTDR的基本原理开始入手，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，在此基础上进行系统设计。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世纪的系统搭建。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。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其物理量来答道传输的能力。例如改变温度、震动。电场、磁场以及位移等。这些光波具有光的基本特性包括其偏振态光学相位以及频率偏振态等等。光纤传感技术不仅继承了光纤的巨大优势，例如隐蔽性好，体积小，质量小等。而且还具有耐腐蚀性高、灵敏度高、可以抗电磁干扰等特点。其在外界的适应环境的能力远大于其他的传感器。分布式光纤传感技术是一种功能性光纤传感技术。在此技术中光纤既是传播中所用的介质也是敏感元件，由光纤可以看到整个光纤路中的任意物理量的变化。所以，分布式光纤传感技术可获得待测物理量在整条光纤链路中的空间分布和时间变化。这样也解决了点式传感器和准分布式传感器难以进行无间断检测的问题。分布式光纤传感技术他有着独特的优势，而这个特点也引起了科研人员的重视。而且在大型结构健康检测，入侵检测和长距离管线状况监测等领域有着广泛的应用。Φ-OTDR是目前最有特点的一类型分布式光纤传感技术，它可以实现声波的实时监测与光纤的链路震动，他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。他同时也体现了光纤传感技术阶段的不同发展方向，以后的未来必定会为光纤传感的产业带来巨大变革。Φ-OTDR分布式传感系统是一种能够对传感光纤沿线的物理量进行测量的传感方案。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1-1长距离煤炭运输图1-2大型桥梁图1-3长途天然气管道图1-4地下水管道对大型基础设施进行健康监测时，若监测到异常振动信号，则说明基础设施结构发生故障或者存在安全隐患，如土木工程结构的断裂、管道的泄漏等产生的振动事件可以反映其结构健康状态:机动车辆运行激励形成的谐振，可以反映桥梁等结构的演化，通过对振动事件的时频特性分析，能够反映出振动事件的大小、方向与位置等特性。图STYLEREF1\s15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图16所示。图16分布式光纤在各领域中的部分应用在不久的将来，Φ-OTDR分布式光纤传感技术将因其能在大范围测量场中对分布信息进行测量而成为监测领域的核心技术之一，而且通过同其他相关检测技术的结合，将会在人们生活的方方面面发挥重要的作用。研究现状1993年，德克萨斯Ａ＆Ｍ大学Taylor等首次提出基于瑞利后向散射光和应用超窄线宽激光器的光时域反射计，并将该技术应用在振动信号检测中。Φ-OTDR与传统OTDR结构类似，但是Φ-OTDR系统的光源是超窄线宽的激光器，且Φ-OTDR利用RBS之间的相干衰落效应进行传感测量。当光纤受到外界扰动时，扰动位置处的光纤将产生形变，其折射率和长度均会发生变化，该位置处产生的RBS的幅度和相位将随之发生变化，通过对扰动事件前后的瑞利散射曲线进行分析，即可实现对动态扰动事件的探测。与基于其他散射原理的分布式光纤振动传感器相比，Φ-OTDR具有以下特点：探测灵敏度极高，适用于微弱扰动事件的检测以及响应速度快，适用于动态扰动事件的检测。主要基于以上两个优点，Φ-OTDR非常适用于检测微弱振动信号，在大型基础设施的安全监测等方面具有很大的应用潜力。近年来Φ-OTDR的主要研宄热点主要集中在以下几个方面：1）提高系统的频率响应范围Φ-OTDR系统的频率响应范围由探测脉冲的重复周期和传感距离决定。探测脉冲的重复周期必须要大于等于探测脉冲在传感光纤中来回一次所需的传输时间。相当于1km的普通单模光纤，不采用其他复用技术，Φ-OTDR系统最高可探测的频率为50kHz。为了提高传感系统的频率响应范围，研究者尝试把Φ-OTDR和其他类型的光纤传感机理以及时/频分复用技术相结合，获得比单一传感技术更加优秀的性能。2010年握太华大学鲍晓毅课题组提出基于频分复用的Φ-OTDR传感系统，利用不同频的双脉冲作为探测脉冲，并利用移动平均和移动差分的信号处理方式，在1.1km长的传感光纤上实现10m的空间分辨率和8kHz的频率响应。同年，该组还提出基于时分复用技术的Φ-OTDR，在680m长的传感范围内实现1m的空间分辨率和0.6MHz的频率响应。2016上海光机所潘政清课题组提出基于频分复用技术的多脉冲Φ-OTDR系统，在10km传感长度上，可探测的最高频率为20kHz。此外，研究者们提出将Φ-OTDR和MZI融合，利用Φ-OTDR获取扰动事件的位置信息，同时利用干涉仪结构得到扰动事件的频域信息。干涉仪传感器可探测的频率范围仅受到光电探测器的带宽限制，因此利用干涉仪结构来辅助Φ-OTDR振动事件的频率信息，可以大大提高Φ-OTDR传感系统的频率响应范围。2013年鲍晓毅课题组提出Φ-OTDR和MZI融合的传感结构，最终实现1.064km传感范围内，5m的空间分辨率和3MHz的最大探测频率。之后，该课题组利用宽窄脉冲对的融合结构，并结合相干检测技术，在1.1km的传感光纤上实现5m空间分辨率和6.3MHz的最高频率响应。2017南京大学潘政清课题组提出单端MZI和Φ-OTDR融合的传感结构，可探测的最高频率响应为1.2MHz。成员年份主要内容主要成果鲍晓毅2010频分复用Φ-OTDR传感系统1.1km长的传感光纤上实现10m的空间分辨率和8kHz的频率响应2013相干检测技术在1.1km的传感光纤上实现5m空间分辨率和6.3MHz的最高频率响应潘政清2016频分复用技术的多脉冲Φ-OTDR系统在10km传感长度上可探测的最高频率为20kHz。2017单端MZI和Φ-OTDR结合探测的最高频率响应为1.2MHz表1SEQ表\*ARABIC\s11针对提升频率响应目前的主要研究成果2）相位信息的解调技术Φ-OTDR利用散射光的强度信息能够对动态扰动事件进行快速响应及定位，但是由于脉冲内散射点的随机分布，致使接收到的散射信号强度与光纤上受到的动态应变没有确定关系，无法通过散射信号的幅度解调计算出光纤受到的动态应变值。但是动态应变会引起光纤折射率的变化，进而引起瑞利散射信号相位的线性变化，通过检测探测光相位的变化就可以实现对扰动事件的定量测量。J.P.Dakin和C.Lamb首次提出在Φ-OTDR系统中利用脉冲对作为探测脉冲，两个脉冲间存在一定频率差，而这个拍频的相位变化与光纤上任意区域内受到的应变存在线性关系，可实现振动信号的定量测量。2014年，A.E.Alekseev等人利用三个连续的双脉冲对序列作为探测脉冲，这三组脉冲对具有不同相对相位值，外界的扰动会使得彼此之间预设的相位差发生改变，通过提取相位的变化就可以定量测量扰动事件，该系统在2km的传感光纤上的空间分辨率可达到5m，能够探测的周期性扰动事件频率为230Hz，且相位敏感度为0.01rad。2017年，北京大学张敏基于同一原理提出双脉冲Φ-OTDR系统，在500m传感光纤上实现20Hz到25kHz的振动信号定量测量。2018年，南京大学王峰等人提出将同频双脉冲与外差探测结构结合，并在Φ-OTDR系统中嵌入极弱反射率光纤布拉格光栅阵列，以此获得振动信号的相位信息。2000年，R.Posey等人提出在Φ-OTDR系统中引入非平衡MZI结构，获得传感光纤上任意两个独立的光纤段所产生的瑞利散射光的相对相位。探测脉冲产生的RBS注入到非平衡MZI结构中，然后由3X3耦合器接收信号，获得三路具有固定相移的信号，通过相位解调算法就可以获得光纤上任意区域内的相位变化，该方案在400m的传感光纤上实现2kHz的动态应变的定量测量。随后，A.Masoudi和M.Farhadiroushan分别在这个方案基础上进行改进，A.Masoudi等人在1km的传感光纤实现2m的空间分辨率，应变和振动频率的探测范围分别为2με和5kHz。山东科学院激光研究所王成课题组提出基于3X3藕合器的相位解调方法，并把Φ-OTDR引入到水下振动测量的领域。图173X32011年上海光机所蔡海文课题组对相干信号进行数字域傅里叶积分，以此解调应变引起的相位变化，实现应变的定量测量。此外，研究者们还提出相位载波生成原理(PGC),IQ解调以及Hilbert变化等相位解调的方法，来获得光纤沿线的相位信息，以此实现动态应变的定量测量。2015年，山东科学院激光研究所王成组将UWFBG引入到Φ-OTDR系统中，用UWFBG产生的稳定的、可控的反射光来代替功率较弱的散射光信号，提高传感系统的信噪比以及可测量的最小应变测量值，该系统利用干涉结构获得相位信息，可探测的频率范围为450Hz到600Hz。同年，南京大学张旭苹课题组也提出将UWFBG和Φ-OTDR系统相融合，并使用激光器主动扫频的方案来进行相位解调，在5km长的传感光纤上实现nε等级的动态应变检测。成员年份主要内容主要成果R.Posey2000非平衡MZI结构在400m的传感光纤上实现2kHz的动态应变的定量测量蔡海文2011数字域傅里叶积分实现应变的定量测量A.E.Alekseev2014连续的双脉冲对序列作为探测脉冲在2km的传感光纤上的空间分辨率可达到5m，探测的周期性扰动事件频率为230Hz，且相位敏感度为0.01rad王成组2015UWFBG引入到Φ-OTDR系统可探测的频率范围为450Hz到600Hz张旭苹2015提出将UWFBG和Φ-OTDR系统相融合在5km长的传感光纤上实现nε等级的动态应变检测张敏2017双脉冲Φ-OTDR系统500m传感光纤上实现20Hz到25kHz的振动信号定量测量王峰2018同频双脉冲与外差探测结构结合能够获取振动信号的相位信息表1SEQ表\*ARABIC\s12针对解调技术目前的主要研究成果3）提高系统的传感距离瑞利散射信号的功率非常弱，比如前向传输的探测脉冲光功率要低50dB左右，这就限制了Φ-OTDR系统的传感距离。研宄者开展了诸多研宄以提升Φ-OTDR传感距离。2009年电子科技大学饶云江组提出在Φ-OTDR传感系统中利用拉曼分布式放大技术提升传感范围，拉曼分布式放大技术可以同时补偿探测脉冲和后向散射光的衰减损耗，有效克服基于EDFA等传统放大存在的问题，最终实现74km的传感长度上20m的空间分辨率。此后，该组将外差探测Φ-OTDR与一阶双边拉曼放大结合，实现131.5km的传感距离，空间分辨率为8m，且可探测的最高频率为375Hz。同年，该组提出基于布里渊放大和拉曼放大结合的混合放大结构，进一步提升Φ-OTDR系统的传感距离，实验获得传感距离为175km，空间分辨率25m。H.F.Martins等人通过一阶拉曼放大将Φ-OTDR系统的传感距离提升至125km，且空间分辨率为10m，可探测的最高频率为250Hz。之后该课题组又在Φ-OTDR系统中设计了超长拉曼激光器谐振腔，在125km传感范围内实现10m的空间分辨率，最高可探测的振动频率为380Hz。4）降低相干衰落噪声以及偏振噪声影响Φ-OTDR系统的RBS相干叠加产生的散射光功率存在较大的随机波动，这种现象称为相干瑞利噪声。散射点的位置和散射率都是随机分布的，导致RBs的强度起伏同样具有随机性，但是这种强度起伏相对稳定。CRN会引起光纤某些位置处的信号功率衰落，致使传感器无法对这一区域进行探测，即形成探测盲区。为了消除相干衰落噪声的影响，2012年，上海光机所潘政清课题组提出相位控制双脉冲的方案，两个脉冲间的相位差为兀，两个脉冲产生的干涉曲线不一致，产生的干涉衰落点也不同，因此可以在一定程度上消除CRN的影响。次年，该组在此基础上提出相控多频率的脉冲光，不同频率的脉冲光产生的衰落点不一致，综合各个频率下获得的瑞利曲线，就可以消除干涉衰落的影响。当外界的扰动事件通过挤压、弯曲或扭转作用在光纤上时，光纤局部双折射特性将发生改变，探测脉冲经过这个区域时偏振态会受到调制，使得之后的偏振态的演化规律也发生变化，导致RBS的偏振态演化规律改变，这就是PRN。PRN将会叠加在这一区域之后的瑞利散射信号中，导致Φ-OTDR无法同时探测多个扰动事件。为抑制这种偏振衰落，2005年TexasA&M大学H.F.Taylor将偏振分集探测引入到Φ-OTDR系统中，利用偏振态正交的两路信号实现对扰动事件的监测，降低漏报率。2008年中国电子科技大学饶云江课题组同时测量POTDR的偏振态和Φ-OTDR的相位信息，综合鉴别扰动事件。2011年握太华大学鲍晓毅课题组提出全保偏的Φ-OTDR结构，用来抑制偏振衰落的影响，200m传感范围内的空间分辨率为1m，且频率响应提高到2.25kHz，但保偏光器件成本较高，不适用于工程应用。2016年该组在普通相干型Φ-OTDR结构中引入偏振分集探测，用以消除偏振衰落的影响。2016年南京大学张旭苹课题组提出基于正交偏振态脉冲对的Φ-OTDR传感系统，成功分离扭曲和拉伸两种事件，有效抑制PRN对系统性能的影响。成员年份主要内容主要成果H.F.Taylor2005偏振分集探测引入到Φ-OTDR系统降低漏报率饶云江2008测量POTDR的偏振态和Φ-OTDR的相位信息综合鉴别扰动事件鲍晓毅2011提出全保偏的Φ-OTDR结构200m传感范围内的空间分辨率为1m，且频率响应提高到2.25kHz张旭苹2016基于正交偏振态脉冲对的Φ-OTDR传感系统成功分离扭曲和拉伸两种事件，有效抑制PRN对系统性能的影响表1SEQ表\*ARABIC\s13针对降低噪声目前的主要研究成果目前，影响Φ-OTDR系统的主要因素有一下几点：(1)、传感光纤中的光相位的随机变化；(2)、传感光纤中的光偏振态的随机变化；(3)光源的功率稳定性问题；(4)光源的频率漂移问题；(5)、光源的单色性问题。因为光偏振态和光相位的随机变化将引起相应后向瑞利散射信号振幅的变化，这可能会被当作振动所引起的变化，从而影响系统的定位准确性。又由于Φ-OTDR系统是一种相干检测系统，这就要求激光源有稳定的频率输出同时又有很好的单色性。而Φ-OTDR系统保证定位精度的一个重要的因素就是窄线宽，较窄的线宽可以在提高传感光纤的距离的同时加强相干强度，以获得更高的检测敏感度，而频率漂移将会影响Φ-OTDR系统中瑞利散射信号的幅值变化，严重影响定位精度甚至无法检测到振动。因而如何消除或减小上述因素对Φ-OTDR系统的影响，一直是目前研究的重点。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。总结一下可以大体分为以下3步：1）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；2）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；3）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。第二章Ф-OTDR分布式光纤振动传感原理分布式传感系统具有传感监测范围广、探测灵敏度高、响应速度快、结构简单等优点，在结构健康监测、周界安防等领域有着广泛的应用前景。而Ф-OTDR是实现分布式传感系统的最基本的结构，本章着重分析基于瑞利散射的Ф-OTDR工作原理。从光纤中的瑞利散射的理论出发，研宄其相关物理机制，并阐述Ф-OTDR技术的传感原理及声场重构原理。在Ф-OTDR光纤振动传感系统中，基于瑞利后向散射原理，传入传感光纤中的脉冲光会产生相对应的后向瑞利散射信号光，由于外界振动对传感光纤的作用表现在改变振动位置处的光相位，并最终反映到后向瑞利散射信号的振幅中去，故通过解调后向瑞利散射信号的振幅变化可以实现振动点的定位。2.1光纤中的瑞利散射光的散射，是指由于传播介质中存在微小的粒子对光束产生影响，使光波偏离原来的传播方向而向四周散开的现象。瑞利散射.是指散射粒子尺度比波长小得多的粒子对光波的散射，其各个方向上的散射光强度是一样的，同入射光的波长的四次方成反比。该现象最早是由英国物理学家瑞利于1900年发现的。从分子理论上来说，当光波射入到介质中，会激发起介质中的电子作受迫振动，从而发出次级电磁波。对均匀介质而言，这些次波的相互叠加会使光波沿着反射和折射的方向进行传播，而在其他方向上，次波干涉完全抵消，故不会发生散射现象。对于非均匀介质，介质内存在密度变化，这时入射光波激发的次波的振幅和相位不完全相同，于是次波的干涉结果，在非透射方向上不能完全抵消，从而形成散射光。光纤中存在的散射光包括：瑞利散射光、布里渊散射光以及拉曼散射光，从物理角度分析，光的散射包括弹性散射和非弹性散射。弹性散射是线性的碰撞过程，只改变光子的传播方向，而不改变光子的能量大小；而非弹性散射则发生能量的改变。瑞利散射属于弹性散射，其频率与入射光频率相同；而拉曼散射和布里渊散射，由于会产生同入射光的频率不同的斯托克斯光和反斯托克斯光，使输入光能量部分转移到新产生的频率分量上，属于非弹性散射。光子和声学声子相互作用产生了布里渊散射，在普通单模光纤中，波长为1550nm的入射光产生的布里渊散射频移为9-11GHz；而光子与光学声子相互作用则会产生拉曼散射，拉曼散射频移约为13.2THz。图2-1散射光波长关系图在光纤的拉制过程中，由于受到热运动的影响，使原子密度分布不均匀，进而使光纤的折射率分布不均匀，进而引起光在光纤中发生瑞利散射。瑞利散射在整个光纤范围内均有分布，其中沿光纤轴向向后的散射，我们称之为后向瑞利散射。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宄，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)=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,TFPP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是基于后向瑞利散射光信号的一种测量仪器，它以后向瑞利散射理论为基础，可以很方便地对光纤进行测量，且能显示出整个沿光纤线路的损耗变化情况。光脉冲在光纤中传播时，脉冲沿整个传感光纤路径产生的后向瑞利散射信号均被光探测器接受时，会形成一个按时序排列的连续分布的强度信号，即传感光纤中的任一位置都有一个与之对应的后向瑞利散射光强度，根据这一理论，通过监测返回的后向瑞利散射光信号的强度，就可以获得通过光强的变化反映出的沿光纤线路分布的光纤损耗情况。图2-3OTDR系统具体结构图在OTDR系统中，与距离相关的信息均是通过时间反映出来的。利用OTDR输出的脉冲光与探测器接收到的后向瑞利散射光之间的时间差，可将时域信息转化为距离信息：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。并且在利用RBS进行分布式光纤传感的技术中，OTDR技术是发展最成熟的。当光脉冲在光纤中传输时，光纤各个位置处产生的RBS由光电探测器接收，通过对光电探测器输出的电信号进行分析，可以获得光纤任意位置处的功率信息。计算光脉冲的入纤时间与RBS返回入射端的时间差，能够获得散射点的位置信息。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=在光纤L处的脉冲光峰值功率为:P(Z)=式中，α是光纤的衰减系数，P0P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系统用于振动检测时，其信噪比会很低，甚至可能根本检测不到振动信号。这是因为OTDR系统使用的是宽谱激光器，其后向瑞利散射信号中不同线宽的光会相互干涉，使有用的振动信息淹没于其中，而且随着激光器线宽的增加，系统的灵敏度也会越低。所以，窄线宽激光器是Ф-OTDR光纤传感系统的最基本条件，而这也是其同OTDR系统的最大区别。Ф-OTDR是一种新型的分布式光纤振动传感技术。同常规OTDR一样，均是将光脉冲从传感光纤的一端注入，通过探测器接收后向瑞利散射光，通过信号解调来获取需要的信息。不同的是，Ф-OTDR使用的是窄线宽激光器，其入光纤的脉冲光是强相干的，因此该系统输出的就是脉冲宽度范围内不同散射点产生的后向散射瑞利光相互干涉的结果，再通过测量输入脉冲光与接收到瑞利散射信号之间的时间延迟来判断振动点的位置。当传感光纤受到外界振动影响时，对应位置处光纤的折射率将会发生变化，进而引起对应位置的光相位的变化，光相位的变化最终又会反映到后向瑞利散射干涉信号的振幅中去。因此，最终的干涉结果将会直接反应出扰动点所在的位置，这样就可以判断出外界干扰的具体位置。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、前置放大电路、数据采集卡及主机等。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基本结构图当有扰动作用在传感光纤上时，由于光弹效应，受到扰动位置的光相位产生变化，引起对应位置后向散射光的相位发生变化，脉冲宽度内散射光的干涉光强也会发生相应变化。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的位置，对应扰动发生的位置，计算方法如公式所示：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相干衰落效应长期以来，Ф-OTDR直被用于检测光纤中的损耗、断点等事件。为了进一步提升OTDR的性能，扩展OTDR的应用范围，研究者们提出利用相干检测原理来检测OTDR中的RBS，即为COTDR。相干检测的方法可以有效提升OTDR系统的信噪比，使得传感系统可以探测微弱的散射信号，增加系统的动态范围。OTDR接收端接收到的信号可以看做是探测脉冲宽度内所有瑞利散射信号的电场总和。如果系统的光源是宽谱光源，则其对应的相干长度较短，那么探测脉冲所占据的长度可视为由若干相千长度的单元组成，且彼此间不发生干涉效应，每个单元接收到的总功率仅是单元内瑞利散射信号功率的叠加。但是，相干长度内的随机分布的所有散射点都具有固定的相对相位分布，散射点之间存在干涉效应。因此，相千长度内的所有散射光的总功率就不仅仅是功率的叠加。由于光纤中的散射点位置是随机分布的，所以各个散射点产生的瑞利散射信号的相位也是随机分布的。但是只要保证光源频率稳定以及光纤不受外界扰动，各个散射点产生的瑞利散射信号的相对相位就不会发生变化，接收端接收到的散射光的叠加会具有相对稳定，但是随机的相位关系。在光纤的某些位置，散射点产生的散射信号的相位可能大体上相同，此时这部分散射点将产生较强的RBS信号；同样的，光纤另一些位置内的散射点产生的散射信号的相位可能反向，叠加过程中发生相干相消，导致此处信号非常微弱。通常情况下，当OTDR系统光源是窄线宽激光器（NLL）时，观测到的最强和最弱的散射信号之比为100：1。利用NLL作为光源，使得瑞利散射信号存在较强的随机波动，这种现象就是相干衰落。2.3.4Ф-OTDR的定位原理相干衰落效应引起的瑞利散射曲线功率的随机波动，在OTDR和COTDR系统中被认为是一种噪声。与OTDR不同的是，Ф-OTDR利用相千衰落效应对外界振动事件进行传感，为了增强RBS间的相干衰落效应，Ф-OTDR系统的光源线宽比较窄，其线宽一般小于100kHz。激光器的输出经过调制器产生脉冲光，脉冲光通过环形器注入到待测光纤的一端，在光纤各个位置处产生RBS，瑞利散射光通过环形器的另一端注入到光电探测器上进行探测。由于脉冲光具有较强的相干度，则其产生的RBS同样具有较高的相干性，光电探测器接收到的信号是脉冲宽度内所有RBS干涉后的信号。根据上一节的分析可知，当外界环境稳定且激光器频率不变时，光纤上任意位置处产生的RBS相对相位不变，因此瑞利散射曲线的起伏波动形状不会发生变化。而当扰动事件作用在光纤某处时，该位置的光纤将发生形变，此处光纤的折射率、长度、芯径均会变化，导致此处散射点的散射率和产生的瑞利散射光的相位随之发生改变。因此，返回到光电探测器上的瑞利散射信号曲线的起伏波动也在相应位置发生变化。通过对扰动事件发生前后得到的瑞利散射曲线起伏波形的幅度解调，就可以确定扰动事件发生的位置。图2-5有振动情况下Ф-OTDR幅值曲线2.3.5Ф-OTDR的声场重构原理在上面到，外界扰动作用在光纤上时，会改变光纤相应位置的折射率、长度、芯径，进而改变瑞利散射信号的相位，使得接收到的RBS强度起伏发生改变，通过解调RBS强度的变化，就可以获知扰动事件发生的位置。但是由于光纤中散射点的位置是随机分布的，散射点产生的瑞利散射信号的相位也随机分布；此外，散射点的散射率也是随机分布的，因此各个散射点产生的瑞利散射光的强度随机分布。光电探测器接收到的RBS信号可看做是光纤上一系列随机分布的散射点产生的瑞利散射信号的干涉叠加，因此接收到的RBS强度与光纤上的扰动大小没有直接关系。仅仅根据瑞利散射曲线强度的变化，只能确定外界扰动信号的位置，无法获取扰动信号作用在光纤上的应变大小，限制了Ф-OTDR的应用范围。研究发现，当外部声场作用在光纤上时，光纤的长度、折射率以及芯径会发生改变，最终改变光纤相应位置处的相位，而通过分析扰动前后该位置的相位变化，就可以对应变进行定量测量。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：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：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：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：光弹系数可表示为:此式代入到上式中可得：故由光弹效应造成的相位改变为：则受到外部作用最终产生光纤相位延迟为：其中，ｎ，k，和都是光纤的常数，因此只要解调出相位的变化就可以获得声场作用在光纤上的应变大小。在基于Ф-OTDR系统的声场重构研究中，研究者们进一步简化该分析过程，仅考虑由轴向应变引入的光波相位延迟。因此通过测量扰动区域前后两段光纤之间相位差的变化，就可以定量测量声场作用在光纤上产生的应变大小，其原理示意图如下图所示。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：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：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OTDR传感原理进行简单描述。随后Ф-OTDR中相干衰落效应引出Ф-OTDR传感技术，并详细阐述其定位原理、声场传感原理。第三章Φ-OTDR实际系统搭建在通过对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。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，窄线宽光源发出的连续光经3dB耦合器分为两束，分别进入传感光纤和参考光纤，由于两光纤长度存在微小臂长差，当传感光纤发生扰动时，带有外部振动信号的两束连续光在3×3耦合器处发生干涉，干涉处的信号光强可用式表示：I=式中φ0是两束连续光的初始相位，I1和I2图3STYLEREF1\s错误!文档中没有指定样式的文字。SEQ图\*ARABIC\s11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，并且将两系统的传感光纤、参考光纤以及传输光纤集成于一根光缆中。复合系统光路如图32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3STYLEREF1\s错误!文档中没有指定样式的文字。SEQ图\*ARABIC\s12Ф-OTDR马赫曾德复合传感系统Ф-OTDR的振动传感系统具有定位准确和低频率响应的特点，马赫曾德传感系统能够实现宽频响应但不容易实现定位。这种设计将这两种系统结合在同一系统中，以同时达到高空间分辨率和宽频率响应的测量效果。然而，两系统对光源的要求不同，对于Ф-OTDR传感系统的光源是窄脉冲光源，而马赫曾德系统一般使用的是连续激光器。所以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。直接探测方式适用于距离较短，信噪比要求不严格的情况。其优点在于结构简单，成本较低，受激光器噪声影响较小。直接探测的过程比较简单，将系统返回的信号光由滤波器进行滤波，保留中心波长的光信号。然后，光信号经由光电探测器转换为电信号，并经过一定的放大处理。最后，再经过低通滤波器以保证只将有用信号保留下来，滤除其他噪声。此方案设计采用直接探测光路系统的具体结构框图如图33所示。窄线宽激光器产生的连续光，经过脉冲调制器(AOM)后变为光脉冲，经过环形器进入掺铒光纤放大器(EDFA)进行光放大，在通过环形器进入传感光纤中，光纤中各处产生的散射光，由光电探测器转化为电信号，并由数据采集卡(DAQ)将模拟电信号采集为数字信号送入计算机中进行信号处理。图3STYLEREF1\s错误!文档中没有指定样式的文字。SEQ图\*ARABIC\s13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所示图3STYLEREF1\s错误!文档中没有指定样式的文字。SEQ图\*ARABIC\s14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所示，通过while循环和事件结构来响应前面板按键的控制。图3STYLEREF1\s错误!文档中没有指定样式的文字。SEQ图\*ARABIC\s15调控光脉冲频率的程序框图前面板界面如图所示图STYLEREF1\s错误!文档中没有指定样式的文字。SEQ图\*ARABIC\s16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。外差探测最核心的就是将本振光与具有固定频差的信号光进行干涉，产生拍频信号，再从中提取所需要的信息，它的基本结构如图所示。激光光源通过耦合器，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，另一束光传到光纤中产生后项瑞利散射，频率记为f1，本振光与参考光在耦合器2中发生干涉高频的拍频信号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，光放大器的级联会带来光信号信噪比的不断恶化。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STYLEREF1\s错误!文档中没有指定样式的文字。SEQ图\*ARABIC\s17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。因为OTDR中的光源线宽非常宽，脉冲内的散射光不能产生明显的干涉，无法反映光纤链路的振动变化，只能进行光纤质量的检测，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跳变，信噪比较差，无法实现动态检测。Ф-OTDR正是由于光源线宽满足这一相干长度要求，才得以具有高的灵敏度和信噪比，进而实现实时检测。Ф-OTDR系统对光源具有很高的要求，与普通OTDR系统相比，其需要更高的时间相干性，光源的线宽越窄，后向瑞利散射光产生的干涉现象越明显，系统对相位变化的响应也越精确。根据Ф-OTDR的基本理论可以知道，激光光源的相干长度应不小于传感光纤长度的两倍，以确保散射光与本地光的相干性和相位信息的连续性。Ф-OTDR正是由于光源线宽满足这一相干长度要求，才得以具有高的灵敏度和信噪比，进而实现实时检测。根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。3.3.2掺铒光纤放大器(EDFA)随着光纤制备技术的大大改善，光纤自身的损耗越来越低，其中产生瑞利散射光也越来越弱，直接探测很难得到理想的信号，所以Ф-OTDR系统需要光放大技术，本实验中使用了一台掺铒光纤放大器（EDFA）作为系统的功率放大器。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。都是掺饵光纤放大器(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)的研制成功，使全光通信距离延长至上千公里，使光纤通信产生了跳跃性的发展。3.3.2.1受激辐射在介绍EDFA的工作原理之前，首先阐述受激辐射的概念。受激辐射，即处于激发态的发光原子在外来辐射场的作用下，向低能态或基态跃迁时，辐射光子的现象。此时，外来辐射的能量必须恰好是原子两能级的能量差。受激辐射发出的光子和外来光子的频率、位相、传播方向以及偏振状态全相同。受激辐射是产生激光的必要条件。3.3.2.2EDFA的主要原理EDFA的泵浦过程需要使用三能级系统，如下图所示。在掺饵光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态的离子抽运到激发态，处于激发态的离子又迅速无辐射地转移到亚稳态。由于离子在亚稳态能级上寿命较长，因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转。当信号光子通过掺饵光纤时，与处于亚稳态的离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，这时通过掺饵光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用。图3-1EDFA原理图EDFA的工作原理是:较强光功率激光器光源与抵达的一段特定长度的掺饵光纤上的输入信号相混合，组成称之为“泵浦”的信号，通过泵浦激光器激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，会产生受激辐射，形成对信号光的相干放大。EDFA在现代光通信系统中获得了广泛的用途。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。3.3.3拉曼光纤放大器EDFA的出现确实极大的促进了现代光通信系统的发展。但是随着现代光网络进一步发展，对于长距离大容量传输系统而言，EDFA放大器的增益范围显得不够宽(40nm左右)。EDFA是目前发展最为成熟的光纤放大器，在1530-1565nm波段(C波段)具有高增益、低噪声和可多路放大的优点，但是C波段仅占光纤低损耗频谱的一小部分，不能满足现有系统对超大容量的要求。另一方面EDFA在超长距离传输时，光放大器的级联会带来光信号信噪比的不断恶化。因此，人们不断探索，期望找到一种既要满足超宽带宽要求，又能满足超低噪声要求的新型光放大器。光纤拉曼放大器(FRA)由于其自身固有的全波段可放大、噪声指数小等特性，成为了新一代放大器的首选。光纤拉曼放大器是一种涵盖了包括C波段，L波段(1570-1620nm)和S波段(1480-1530nm)等波段的光纤全波段放大器。昌德拉塞卡温卡塔拉曼，印度加尔格达大学的物理学家，因发现拉曼效应而获1930年诺贝尔物理学奖。拉曼效应是指当一束一定波长的激光照射到某种材料上，大部分光以原波长散射。而一小部分的光改变了波长。波长的改变值由材料的构成精确决定。光纤中的拉曼效应则在1972年被发现，即人射光被光纤中的分子散射，使能量向低频光转移。九十年代末期，由于多种高功率激光源的出现和扩展光通信带宽的需要，拉曼放大器在技术上得以实现，并迅速投人商用。拉曼放大器的基本原理是利用光纤中的受激拉曼散射(SRS)产生的光增益实现信号光的放大。石英光纤具有很宽的受激拉曼散射增益谱，如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大，这种基于光纤受激拉曼散射机制的光放大器即称为拉曼光纤放大器。拉曼光纤放大器相对于半导体光放大器和掺饵光纤放大器来讲具有增益较高，带宽较宽，噪声性能好，受环境影响程度最小等特点。因此，非常适合于超长距离的传输。在拉曼放大器的实际应用中，通常是采用拉曼放大器同EDFA混合使用的策略，EDFA作为光功率放大器，而拉曼作为前置放大器，这种混合放大策略在DWDM超长传输系统中获得了广泛的使用。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。3.2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，光脉冲再通过环形器进入光纤中，光纤中后向瑞利散射光发生干涉，干涉光强经过环形器被探测器探测，最终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3-2Φ-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3-3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3-5光纤在静止状态下(无外力作用)的示波器波形图3-6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。3.3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，第一次实验的无扰动模式的数据图在模式识别前如图4-10所示。图4-10环境模式数据（未模式识别）在经过模式识别后，数据会显示出对应的二进制数结果并显示在V，W，X列中。图4-11环境模式数据（模式识别）从上图看出，在表中的V、W、X列显示001，对应了环境五扰动情况，证明识别成果，并继续经行后续模组的识别。图4-12走路模式数据（模式识别）图4-13甩动光纤模式数据（模式识别后）图4-14手推车模式数据（模式识别后）图4-15满载手推车模式数据（模式识别后）根据以上的结果判断，神经网络在识别以上这些数据的各个模式对应输出的二进制数分别与各个定义的情况相符，表明识别成功。并且我们继续进行重复的实验看识别结果来看识别的准确性。但是在下一次的实验中出现了将甩动光纤的模式识别为环境模式的错误，数据如下图4-16：图4-16识别错误的模式数据在此次识别中，出现了将甩动光纤识别成静止的状况，经过分析可能是以下的原因；(1)神经网络的训练结果成功率是80%以上，并不是100%，可能是神经网络自己出现识别不了的情况。(2)可能是当时的环境噪音扰动过大且我们晃动光纤的振动过小导致系统没有识别出来。此后又了多组实验与识别，结果还是很理想的，均能成功的识别出来。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三种情况进行模式识别，效果还是比较理想的。结论Φ-OTDR分布式传感系统是一种基于瑞利散射的分布式光纤传感技术，它不仅具有抗电磁干扰、耐腐蚀、隐蔽性好、绝缘、可分布式探测等传统分布式光纤传感技术的优势，而且灵敏度高，可实现基于光纤振动的动态实时检测。尤其是，基于相位解调的Φ-OTDR可以实现振动参量的定量探测，满足了多种工程应用的需求，如周界安防、大型结构健康监测、长距离管线状况检测等。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。近年来，相位敏感光时域反射计的相关研究正逐步升温，越来越多的科研人员在这一技术领域开展了各自的研究工作。本课题的研究是通过对分布式光纤声波传感系统的研究，了解了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OTDR的基本检测原理，