關(guān)于光纖分布式振動(dòng)傳感的研究 - 筱曉光子

更新時(shí)間：2022-03-31

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筱曉光子的光纖分布式傳感系統(tǒng)，是將光纖本身作為傳感器件，反饋光纖在不同位置的振動(dòng)，溫度，應(yīng)力等變量，并實(shí)現(xiàn)精確定位的系統(tǒng)。目前這種分布式傳感技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在長(zhǎng)距離天然氣、石油傳輸泄露監(jiān)控，橋梁等大型建筑的安全監(jiān)測(cè)，以及大面積的安保系統(tǒng)中。

我們采用的是φ-OTDR技術(shù)，搭建了25km的光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，其理論基礎(chǔ)是光纖后向瑞利散射。光路系統(tǒng)如下圖所示：首先將1550 nm連續(xù)激光器 (Dense Light)的輸出激光用EDFA進(jìn)行光功率放大，測(cè)得放大后功率為200 mW。聲光調(diào)制器（AOM）對(duì)放大后的激光進(jìn)行快速調(diào)制，直接生成亞微秒級(jí)的脈沖光，激光的重復(fù)頻率，脈寬由信號(hào)發(fā)生器（AFG）控制。生成脈沖光后，將其送入25km的長(zhǎng)光纖，由于光纖的后向瑞利散射，每一個(gè)脈沖光經(jīng)過(guò)這25km的光纖，在25km光纖的起點(diǎn)都會(huì)探測(cè)到一段返回光。因此，在AOM后添加一個(gè)光環(huán)形器，將光纖的返回光轉(zhuǎn)移至另一路光纖并用光電探測(cè)器（PD）探測(cè)返回的光信號(hào)。

系統(tǒng)示意圖

采集得到的光信號(hào)時(shí)域圖如下，脈沖光在光纖不同位置的瑞利散射光產(chǎn)生到被光電探測(cè)器接收，存在一定的時(shí)間差。因此，返回光信號(hào)在不同時(shí)間點(diǎn)的強(qiáng)度是與脈沖光在光纖不同位置的散射光強(qiáng)度相關(guān)的。當(dāng)我們抖動(dòng)光纖的不同位置時(shí)，由于介質(zhì)的彈光效應(yīng)，光纖的折射率發(fā)生突變，散射光之間的干涉導(dǎo)致該處光強(qiáng)急劇變化。最后提取光信號(hào)中這種急劇變化的特征，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，作為該系統(tǒng)的最終輸出。

光信號(hào)時(shí)域圖

為了保證該分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，我們使用Matlab實(shí)時(shí)采集示波器的返回光信號(hào)數(shù)據(jù)，優(yōu)良行平均化處理提升抖動(dòng)信號(hào)的信噪比，然后進(jìn)行逐幀求差和歸一化處理提取抖動(dòng)的特征信號(hào)。

5km處抖動(dòng)光纖對(duì)比圖

該圖為在5km處抖動(dòng)光纖的反饋信號(hào)圖，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的功能，在5km處能監(jiān)控到光纖振動(dòng)，得到初步結(jié)果。