【1】分布式光纖振動傳感基礎原理

????????分布式光纖振動傳感技術基于瑞利散射原理。瑞利散射的光頻率與入射光頻率相同。能量大約是入射光的千分之一，是散射播中能量最大的，瑞利散射波對振動極為敏感。

?????????外界的任何振動波（包括聲波），都會對光纖內的玻璃晶格產生影響，造成晶格的同頻振動；一定強度的光打入光纖后，就會收到約千分之一的瑞利散射回波，這些回波會將晶格的振動信息帶回來；當我們對這些信息解調分析后，再經過降噪，解析，還原等一系列算法，就可以將振動區域的振動信息進行采集分析，并確定振動區域的位置。

【2】光纖振動監測的技術

??????? 光纖振動監測技術依據瑞利散射基本原理，結合φ-OTDR（相位敏感光時域反射）與P-OTDR（偏振敏感光時域反射）技術以及信號分析處理算法，實現了光纖振動傳感監測。

光纖中的偏振態

????????光信號在傳輸介質中傳輸，在垂直傳播方向的平面內，光矢量可能有不同的振動狀態，這些不同的振動狀態就稱為偏振態。常見的偏振態有線偏振態、圓偏振態、橢圓偏振態三種。光在光纖中傳輸時，由于邊界的限制，其電磁場是不連續的，這種不連續場的解稱為模式。只能傳輸一種模式的光纖為單模光纖；能同時傳播多種模式的光纖為多模光纖。多模光纖中，由于不同模式光的偏振態是隨機分布的，使得光纖中輸出光的偏振態呈現自然光的特性，因此只有在單模光纖的光信號具有偏振特性。

????????光纖中傳播的偏振光若要保持穩定的偏振態，則在 x 軸和 y 軸兩個方向上的偏振光的相位差δ=δ2-δ1應保持恒定。但由于單模光纖中存在固有雙折射，這會為 x 軸和y 軸兩個方向上的偏振光引入隨距離持續變化的附加相位差，因此偏振光在光纖中傳播時，其偏振態會隨著其在光纖中的傳播而不斷變化。只有當光波為線偏振光且始終沿 x軸或y軸振動，其偏振態才保持不變。

????????但由于單模光纖中的歸一化雙折射B=(nx-ny)/n很小，一般在 ~，當其產生彎曲或受到溫度、扭轉等外部作用時，極容易是兩個方向上的偏振光產生耦合，因此單模光纖的雙折射軸在光纖沿線的分布具有隨機性，實際的單模光纖中的偏振態不能保持恒定。對于高雙折射的保偏光纖，其歸一化雙折射 B 高達 10-3 以上，可以有效保證雙折射軸的穩定性。因此當線偏振光沿著其 x 軸或y 軸方向振動時，可以有效保證光波的偏振性。

????????用來描述光纖傳輸特性的傳輸矩陣可以表示為如下的形式：

????????R（β）=R（γ、φ、θ）=Rx（γ）RY（φ）RZ（θ）

????????2.POTDR應用

????????由于外部的擾動會改變光纖的雙折射，而光纖的雙折射又會進一步改變光纖傳輸矩陣中的晶格矩陣元素，因此光纖外部的擾動最終會反映在光纖中光波的偏振態上。當光波在光纖中產生瑞利散射時，會保持光波原有的偏振態；當光纖上存在外界作用時，瑞利散射光的偏振態會發生改變。因此，通過測量光纖中瑞利散射偏振態的變化，便可實現外部信息的傳感。

?【3】分布式光纖傳感主機

????????傳感主機內部集成了超窄線寬光源、脈沖EDFA、Raman放大器、調制器、波分復用、檢偏器等光學器件。

???????? 光源是一個超窄激光器，通常采用1550nm波長的激光(1550nm波長區為單模光纖通信方式)，另外如果要實現空間分辨率為1m，激光器發射進入光纖的泵浦脈沖光具有一定的持續時間，計算出=10ns，則激光器的的光脈寬必須在10ns以下。

????????光源通過調制器進入摻鉺光纖放大器（EDFA），發射脈沖光信號。對于脈沖光信號的線寬有一定的要求，為防止激光器產生退偏效應，光源的線寬不能太寬，于此同時，線寬也不能太窄，因為在線寬太寬時，背向瑞利散射光容易產生干涉，造成功率上的波動，從而影響偏振態的檢測。值得注意的是，為使兩個脈沖采樣不相混，須等第一個脈沖散射回的信號處理后，才能發送第二個脈沖，即要求兩次采樣脈沖的信號時間間隔必須大于2L/v。設傳感光纖長度為L，脈沖重復頻率應當滿足條件：.假設系統的傳感距離10km，計算得到激光器的脈沖重復頻率應為10KHz。

???????? 環形器，是一個三通道環形器，入射光從 1 端口入射光纖通過端口 2 出射，反射回來的光通過 2 端口入射，從 3 端口出射。通常內部會集成放大電路及采用多級互聯放大和噪聲抑制相結合的技術處理，以提高信噪比，獲得高質量的輸出信號給后級數據采集卡（光探測器）。

????????光纖就是傳感器，無需對光纖做任何調整和改造。光纖后向散射光纖中，包含了三種光成分：瑞利光、斯托克斯光和反斯托克斯光。其中，瑞利光的強度最大，其次是斯托克斯，反斯托克斯最弱，一般來說，波分復用、濾波器的目的就是要讓瑞利信號信號最大限度通過。

????????檢偏器是用來檢測背向瑞利散射光信號中某一特定偏振態的光。瑞利光的強度雖然在回波中最大，也是相對而言，其總體信號還是弱的，為能有效地探測到光信號，可以采用高增益的雪崩二極管（APD）。光電探測器通過雪崩管將光信號轉換為電信號，由于電信號非常的微弱，需要對電信號進行放大處理。通過多級的放大電路將電信號放大足夠大，滿足ADC芯片進行模數轉換要求。采樣速率越高，則采樣點數越多，空間分辨率越高。在對A/D采樣板進行設計時，其采樣速率需要根據產品性能設計要求合理選擇A/D芯片采樣分辨率。A/D芯片采樣分辨率是指A/D采樣芯片可以分辨的輸入信號的最小變化量，通常由A/D的最低有效位（LSB）決定。要保證系統的穩定性和可靠性，必須增加A/D采樣芯片的位數，可相應提高模數轉換的精度和可靠性。

????????系統將固定頻率和波長的探測光從光纖的一端注入，光纖的每一個位置都會產生背向瑞利回波，該回波中攜帶有光纖分子團晶格的聲波場參量。當周圍環境的振動能量傳遞到光纖中的玻璃晶格上時，晶格產生的瑞利背向回波的偏振態會隨著晶格的振動頻率而振動。經波分復用器和光電檢測器采集帶有偏振信息的背向瑞利散射光信號，解調該偏振振動能量差，即可得到該點的振動場特征，經過系列算法實現現場實時感知。

??????? 另外，可能還會涉及到光開關器件。如果主機需要支持多路（多通道）光纖感知要求，就需要采用光開關切換器來對測量光纖進行路數擴展，從而實現一路擴展多路通道。在測試過程中，測試完一路光纖通道后，立馬切換到下一路光纖通道，對每路光纖通道進行輪詢采樣測試。

??????? 當然，一體化光纖感知主機，諸如電源、機箱、顯示、散熱、作業監測等都是產品組成部分，均需要從整體設計考慮到各個器件選型要求。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的物联网感知-分布式光纤振动传感主机实现基本原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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