分布式光纤振动传感技术研究

赵 浩 ， 林宗强 ， 肖 恺 ， 李 平 ， 罗巧梅 ， 张 静

（1.上海波汇通信科技有限公司 上海 200120；2.上海紫珊光电技术有限公司 上海 200120）

光纤传感技术[1-3]是一门新兴技术，它是随着光导纤维和光纤通信技术的高速发展而迅速发展起来的。因其具有抗电磁干扰，电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀、化学性能稳定、体积小、重量轻、集合形状可塑、传输损耗小、传输容量大、测量广泛等优点，并且它可根据被测对象的情况选择不同的检测方法，对被测介质影响小，已经广泛用于多个领域。它可以精确测量沿光纤上任一点的温度、振动等信息，实时对故障点或扰动点的定位。光纤作为传感感应元件，可用于检测分析的物理量有包括振动、压力、温度、应变、加速度、电流、电压、磁场、频率、热感应等，能够被充分的应用于日常生活与国防工业的方方面面。

分布式光纤振动传感时分布式光纤传感的一个重要分支，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，具有广阔的应用前景和商用价值。

1 关键技术

目前，分布式光纤振动传感系统所采用的技术主要有光后向散射技术、干涉传感技术、光学耦合探测技术、光学非线性参量探测技术。

1.1 光后向散射技术

当光脉冲在光纤中进行传输时，会产生与入射光波长相同的瑞利散射光、自发布里渊散射光和自发拉曼散射光，这是因为激光光子会与光纤介质中的粒子发生碰撞。其中，瑞利散射光和布里渊散射光对作用于光纤上的振动压力极为敏感的。光纤所受振动的大小频率是通过光时域反射技术 （OTDR）[4-7]测量分析后向散射光相关参数的变化情况来实现的，通过测量外界施加信号引起传输脉冲光在光纤内的频率移动而得到外界振动信号强度，通过测量发射和接收到脉冲光的时刻来判断信号作用的位置，从而达到传感应力的目的。

后向散射技术是目前比较成熟的技术，在实现上比较简单易行，但是其后向散射光信号比较微弱，故需要使用功率高的光源，造成系统的价格昂贵，同时系统的分辨率还受到发射光脉冲形状和宽度的限制。因此，整个系统的探测灵敏度较低，空间分辨率也不高，系统应用范围狭窄，缺乏实用性，不能充分体现全分布式传感技术的优点。

1.2 干涉传感技术

光学干涉技术将光束相位的变化转化为光束强度的变化，再通过光电探测器探测光强度，通过计算机软件进行解调分析，从而感测作用于传感光纤上的振动信号。干涉型光纤传感器属于相位调制型传感器，干涉传感技术包含了光相位干涉技术、光相位移动检测技术、光时域定位技术和信号调制解调技术。干涉传感技术其最大的优点是其灵敏度高，抗干扰能力强，因为光纤上的任意一点都是传感单元，而且是测量正向传输光信号的变化，这样测得的信噪比和准确率都比较高。但是由于干涉型光纤传感对光源相干性的要求比较高，因此长距离光纤干涉仪沿线的相位累积和光信号的正向传输使得信号定位成为了难题。

1.3 光学耦合探测技术

与普通的用于通信的光纤不同，这种技术采用一种特殊的光纤即高双折射光纤。当高双折射光纤受到振动时，光纤会产生各向异性，前向传输光的两个本征模式之间会有模式耦合。振动对耦合输出的影响，主要表现为振动引起耦合区折射率和耦合区长度的变化，从而导致耦合输出发生变化。振动分为低频振动和高频振动，前者对耦合输出的影响主要表现为耦合区配合长度的改变，后者主要表现为耦合区折射率的变化，从而导致耦合输出的变化。因此，通过在终端测量耦合输出的变化从而可以达到分析判别振动的目的，实现振动传感。

2 常用的分布式光纤振动传感器

2.1 光后向反射型光纤振动传感器

2.1.1 偏振光时域反射型（POTDR）振动传感器

偏振光时域反射型（POTDR）传感是通过检测光纤中偏振态变化来达到分布式光纤传感目的的一种传感技术。POTDR技术是在OTDR技术的基础上发展起来的。POTDR系统的光路结构如图1。把线偏振光耦合进光纤，当光脉冲在光纤中传输产生散射光，经起偏器起偏为偏振光，后向瑞利散射通过环形器进入到偏振分束器后分成两路光，然后由光电探测器来监测两路偏振光强，由于光的偏振性是位置的函数，因此探测后向散射光的偏振性，即可得知光纤中偏振特性的时间分布及空间分布。光纤中的偏振态变化与光纤中的双折射现象密切相关。

图1 OTDR系统示意图Fig.1 POTDR system schematic diagram

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不变，这样通过对比振动前和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。

2.1.2 布里渊光时域反射型（BOTDR）振动传感器

基于布里渊散射效应的光纤振动传感器是根据光线应变引起的布里渊散射的斯托克斯光的频移量发生变化来实现振动测量的。光纤中的布里渊散射相对于泵浦光有一个频移量，通常称为布里渊频移，其受温度和振动的影响，如果能够控制温度恒定不变，或者能够得知温度变化的应用，即可作为振动传感器。在自发布里渊散射时，除了布里渊信号的频移，散射光功率也与光纤所处的环境温度和所承受的应变在一定条件下呈线性变化的光纤，所以只要检测布里渊散射光的频移和散射光功率两个参量测量。

BOTDR双参量测量系统的结构如图2所示。

图2 BOTDR双参量测量系统的结构Fig.2 The structure of BOTDR’double parameters measurement system

由于BOTDR接收的是自发布里渊散射光，光功率较弱，和瑞利散射光的频谱间隔只有11 GHz左右，所以系统采用光相干检测技术，可以同时完成放大信号和提取布里渊散射光信号从而实现对振动的测量。该技术的优点在于光学相干检测和电外差都可以很容易实现，测量分辨率高，技术的使用性强。但是由于布里渊频移很小，且其线宽很窄，这就要求激光器具有极高的频率稳定性和极窄的可调线宽，对光滤波器也有很高的要求，因此该系统在制造和使用上既复杂又昂贵。

2.1.3 相位敏感的光时域反射性（φ-OTDR）振动传感器

φ-OTDR分布式光纤振动传感系统的工作原理为当由声音或物体振动产生的压力施加传感光缆时，由于弹光效应导致传感光缆的长度和折射率发生变化，从而引起传感光缆中 传输光的相位改变。

图3 φ-OTDR分布式光纤振动传感系统的总体结构示意图Fig.3 φ-OTDR of the distributed optical fiber vibration sensing system schematic diagram

其总体结构示意图如图3所示，其主要由光调制解调仪、光探测模块、信号采集器、协处理器、监测分析报警系统和传感光缆等组成。根据后向散射光原理，由光调制解调仪输出的大功率窄脉冲光注入到传感光纤中，会在传感光纤中产生后向瑞利散射光。当某一时刻产生振动扰动时，相应位置的光强信息与前一时刻无扰动的光强是不同，所以通过监测分析处理系统分析当前后向散射信号与其前一时刻的后向瑞利散射信号的光强差异，来获得整个防区的入侵振动信息。

φ-OTDR不仅对外界微弱信号敏感性很强，而且可以实现多点定位。该系统需要采用窄线宽激光器，而且该激光器要具有极小的频率漂移，这是为了避免φ-OTDR后向散射曲线发生抖动。

2.2 干涉型光纤振动传感器

2.2.1 M-Z型干涉仪光纤振动传感器

基于Mach-Zehnder（简写M-Z）干涉仪的振动传感器的工作方式，如图4所示：光源发出的信号经第一个3 dB耦合器后进入两根长度基本相同的传感光纤，一根作为信号臂，另一根则为参考臂，两传感光纤处射信号经第二个3 dB耦合器耦合后产生干涉。当传感结构中的光纤信号臂收到外界应力或振动作用，光纤信号臂光纤的折射率、几何尺寸等参数将产生变化，而参考臂中不受影响，因而参考臂内部传输的光波相位将不受影响，因此信号臂与参考臂内的两光信号间将会产生相位差，因而输出光强随着干涉的发生也将发生变化。因而可通过干涉光强的变化来反映光纤收到的外界作用。

M-Z型光纤振动传感器的优点在于灵敏度高，缺点是结构中需要一个参考光纤，环境对其影响较大，导致测量的不稳定，限制了这种传感器的应用。

图4 光纤马赫-泽德干涉结构示意图Fig.4 Fiber optic M-Z interference structure diagram

2.2.2 Sagnac型干涉仪光纤振动传感器

图5 光纤萨格奈克干涉传感结构示意图Fig.5 Optical fiber sag Nike interference sensor structure diagram

如图5所示，光纤萨格奈克干涉仪的工作方式，如图5所示：光源通过隔离器进入到耦合器后，光源输出后被分为两路，分别在一根闭合的传感光纤中沿顺时针和逆时针方向传播，当传感光纤遭受外界作用时，光纤内部传输的两束光信号相位将发生变化，且扰动后两束光信号的相位差大小与外界作用点位置、以及外界作用噪声引起的光波相位变化速率有关。

萨格奈克干涉仪的对称结构使其对光源相干性要求不高，但是，萨格奈克干涉环在其对称中心附近位置处的探测灵敏度很差，因为在此位置处顺时针和逆时针的光受到相同的相位改变，造成传感信号相互抵消，从而产生互易效应而导致无传感信号的输出。

2.2.3 迈克尔逊型干涉仪光纤振动传感器

图6 光纤迈克尔逊干涉传感结构示意图Fig.6 Optical fiber sensing structure schematic of Michelson interferometers

迈克尔逊型干涉仪光纤振动传感器的工作方式，如图6所示：光源发出的光信号通过隔离器进入3 dB耦合器后分为两路，分别进入两根传感光纤，传感光纤的一端R1、R2为全反射镜，当光纤中的光信号经全反射镜R1、R2反射后，返回到3 dB耦合器，进入到同一根光纤时，两束光信号产生相干效应，其干涉结果被光探测器探知。当反射镜处于受保护状态，而两根传感光纤受到外界作用力时，光纤内传输的光信号将发生相位改变，而使干涉后的功率发生变化，光探测器探测到这一变化，就可反映外力对传感光纤的作用。迈克尔逊型干涉仪光纤振动传感器灵敏度高，但是对光源的相干性要求极高，且其结构较为复杂，因此在长距离传感中应用有很大的局限性。

2.3 耦合型光纤振动传感器

耦合性光纤振动传感器的核心是一个单模熔锥型光纤耦合器。锥形光纤中的光的传输特性与光纤熔融拉锥时纤芯半径发生变化有关。在耦合器的一端输入光信号，输入的光信号的倒模功率在拉锥区随着纤径的变细而逐渐转变为辐射模或包层模，所泄漏的功率被输出端的两根光纤俘获，并随着光纤变粗而逐渐转化成导模功率。振动信号会引起耦合区折射率发生周期性变化，从而对分布在耦合区的模式产生扰动，扰动会对耦合区光纤的介电常数进行调制，最后导致传感器的耦合输出随振动信号的变化而变化，进而实现对应变、振动等参量的测量。

3 分布式光纤振动传感器的发展方向及应用

目前的分布式振动传感器基本上是探测光纤轴向信息的一维传感器，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光纤传感器发展的一个重要方向。尽管各种分布式光纤振动传感器的机理都比较成熟，但是其面向实际应用还存在很多问题，包括传感器系统的成本和可靠性。

分布式光纤振动传感器主要应用于隧道、桥梁、建筑物等大型设施的安全监测，能够实时地得到断裂或破损导致的振动信号，从而判断结构损坏的情况，同时有效地给出发生损害的位置。其应用领域还包括军队、银行等的安防警戒系统，输油、气管道的自然形变或人为挖掘等破坏情况的监控，地震灾害的预警等。由于分布式光纤振动传感器是无缘驱动，更适用于需要安全保密性强的领域，尤其是长距离实时测量是无论在军用还是民用领域都具有广泛的应用前景。

4 结 论

分布式光纤振动传感器由于其优于传统传感器显著的特点，在桥梁、隧道、石油管道等领域有着巨大的应用价值。但现在仍有许多技术难点有待突破，如如何保证在各种复杂环境下系统的稳定性和定位精度、如何处理比较微弱的检测信号等。

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