分布式光纤传感与信息处理技术研究及应用

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1、内部，在线实时监测材料结构内部损伤的位置和成都，监视损伤区域的扩展，从而为材料结构的损伤检测、维修及自我修复提供准确信息，避免因结构损伤带来巨大的损[13]失，因此在大型结构和建筑等的健康监测中发挥极为重要的作用。例如：光纤智能[14]结构和灵巧蒙皮的研究；大型构件如桥梁、大坝、民用建筑等的安全检测；河道、铁轨、隧道等应变检测；航空、航天飞行器等大型设备老化程度的检测；通信类光纤[15]光缆的质量监测和维护；输油/气管道的自然变形的监控等。1.2.3分布式振动传感器从居民小区安全保障到输油管线维护以及地震监测、海啸监测，到处都可以看到振动传感器的身影。当前采用的机械式或机电

2、式振动传感器，普遍存在体积重量偏大，灵敏度不高，易受干扰等缺点，需要大量人力物力和时间，难以满足当今社会提倡的小型化、智能化和低成本的要求。分布式光纤振动传感器能够检测动态、半动态和静态的时变信号，提供灵敏度高、动态范围大、响应频带宽、隐蔽性高、远距离程控、连续实时的检测，对安防和灾害监测等众多领域有重要意义。[16-19](1)管线安全保障系统。利用光纤的物理特性，实现对管道泄漏，管道附近的机械施工和人为破坏等事件进行实时在线监测。提供实时事故报告和事故的正确位置，从而可以提示将要发生的潜在隐患，提前对管道进行维修，减少可能的损失。[20-22](2)周界防范。检测围墙、

3、闭合区域或高安全区域的入侵，可用于家庭、学校、住宅小区、政府机关、军队、银行等场所的安全监控，特别是金库、油库、军械库、图书文献库、文物部门、监狱、军事管制区甚至是边境线等不允许人接近或穿越的重要部门。(3)光纤链路安全保障。世界各地已经敷设了数百万公里的光纤，监控光纤线路受损情况和完整性，预测故障发生是迫切需要解决的问题。分布式光纤振动传感能得到实时、动态的光纤干扰信息，从而实现地面监控、结构的整体监控、机械环境监控和入侵检测。[23](4)地震和海啸监测。分布式光纤振动传感实时监测光纤中传输光信号随地震声波的变化情况，测定沿光纤分布的地震声波参数，并确定震源位置，对于实

4、时监测地震及海啸预警具有重要的意义。(5)其他需要实时监控挖掘、撞击、震动、爆破等行为的应用领域。31.3国内外研究现状分布式光纤传感成为目前国际上研究的热点。欧盟、美国和日本等国在近几年的研究中取得了显著进步，不少光纤传感器已经在军用和民用领域大规模使用。我国发展光纤传感技术已有近30年的历史，目前国内有相当多的研究机构和团体，拥有一定数量的研发队伍，也已经积累了较好的技术基础。分布式光纤传感器的种类很多，根据监测空间范围不同，主要可分为准分布式光[2]纤传感器和全分布式光纤传感器两类。准分布式光纤传感器是把在空间上呈一定规律分布的相同调制类型的光纤传感器耦合到一根或者多

5、根光纤总线上，通过寻址、解调，检测出被测量的大小及空间分布，光纤总线仅起传光作用。因此，准分布式光纤传感系统实质上是多个分立式光纤传感器的复用系统。根据光波被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况，可将光波的调制分为光强度调制、光频率调制、光波长调制、光相位调制和偏振调制等五中类型。按照寻址方式的不同，它又可以分为时分复用(TDM)、空分复用(SDM)、波分复用(WDM)、频分复用(FDM)、偏分复用(PDM)等几类，其中时分复用、波分复用和空分复用技术较为成熟，复用点数较多。准分布式[6,24,25]光纤传感器中常用的复用光纤传感器主要有以相位调制型光纤干涉仪和波长调

6、[7,26-33]制型光纤布拉格光栅（FBG）。全分布式光纤传感器是利用一根光纤作为延伸的传感元件，光纤上的任意一段既是传感单元，又是其它传感单元的信息传输通道，因而可获得被测量沿此光纤在空间和时间上变化的分布信息。它消除传统传感器存在的传感“盲区”，从根本上突破了传统的单点测量限制，是真正意义上的分布式光纤传感器。全分布式光纤传感器主要[34-40]有两大类：一类基于光纤后向散射的光时域反射(OTDR)技术，另一类基于长距离[41-50]干涉技术。全分布式光纤传感器利用一根光纤取代大量的分立传感器进行测量，大大降低了造价，性价比很高，因此得到了广泛的应用。1.3.1基于光

7、纤后向散射的全分布式光纤传感技术基于光纤后向散射的光时域反射(OTDR)技术是目前较为成熟的一类分布式光纤传感，已经有大量实际应用的案例。光脉冲通过光纤时产生的后向散射光中，存在着与激励光波长相同的瑞利散射，以及与激励波长不同的非弹性散射——喇曼散射和布里渊散射。基于光后向散射技术的分布式传感利用光时域反射探测技术实现：根据后4向散射光的特性（光强、偏振态、频率等）改变确定待测参量大小，根据回波时间确定位置，由此获得待测参量的空间分布，空间分辨率由脉冲宽度决定。[2,15](1)基于OTDR的微弯传感器光纤的弯曲会