李顺为
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摘要：分布式光纤传感器作为光纤传感器相关技术中较为重要的器件，其不仅具有普通光纤传感器所具有的无辐射干扰性，抗电磁干扰较好，化学稳定性良好等优势，而且还具有光纤所具有的一维空间实施连续性分布的特性，其最主要的作用就是能够进行长距离的监测，以及定位精确等相关优势。本文主要对长距离分布式光纤震动传感系统的关键技术进行相应分析。
关键词：分布式光纤感；偏振态控制；相位锁定；定位
一、前言
对于光纤传感技术而言，由于其具有较高的灵敏度，且定位精准，能够抗电磁干扰等优势，极其受人们欢迎，且已经成为传感领域当中研究的重点。所谓光纤传感器，主要就是指通过对光波的利用，并将其作为实施探测事件的承载，并将光纤当做传输承载的一种媒介，并利用光波进行监测，以此实现对相关事件的探测[1]。根据光纤在传感器当中所具有的作用，主要将光纤传感器分为两种，也就是功能型与非功能型；而依照光波在光纤当中进行调制的方式，主要分为强度调制型、偏振调制型、频率调制型和相位调制型；依照探测过程是否有光波干涉，主要分为干涉型以及非干涉型[2]。本文主要依据长距离振动传感系统所具有的特点，以光纤M-Z干涉仪的光相位传感方法，对其关键技术进行分析。
二、光相位检测与定位的基本原理
对于长距离分布式光纤振动传感系统而言，本文主要对光相位调制型的光纤M-Z干涉仪对相关振动时间实施相应的传感。当M-Z振动传感器通常是被埋藏在地下的相关管道以及电缆周围实施工作的时候，振动时间通常是根据应力，对光波的相位实施调制。对于光纤M-Z当中的振动传感系统而言，其径向应力的实际检测灵敏度通常能够达到10-9rad/m.Pa。
对于探测系统当中总长度达到L的光纤，入射光波通常为Ain。当光纤没有受到应力作用的时候，出射的光波为：Aout=Ainexp（i2πnL/c）[3]。
当传感系统的某个位置受到相应径向力作用的时候，该位置的光纤长度，光纤直径、折射率等都会出现相应的变化，其参数的不断变化，就致使光波的相位产生相应的变化，假设外界产生的应力作用，出现的相位变化为Δφ，这时出射的光波为：Aout=Ainexp[i（2πnL/c+Δφ）]，光在光纤当中的相位为：φ=βL（β为光纤中光传播常数，L为光传播的距离）[4]。
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三、长距离分布式光纤振动传感系统关键技术
（一）、系统的抗偏振衰落技术
所谓长距离分布式的光纤传感系统，主要就是通过对光纤M-Z干涉仪进行使用，并以此对振动的信号进行探测，其所输出的结果主要是指光所产生的干涉信号。干涉信号所具有的清晰度，主要是根据M-Z干涉仪两臂当中的光信号具体的偏振态所决定。其在实际运用过程中，主要根据光纤形变等相关因素，所导致的光纤双折射，就会使其光波出现偏振态变化，并致使干涉信号出现衰落，这对振动信号的有效定位以及识别具有严重影响。而所谓的光纤双折射，就是光纤由于其自身原因，以及外界环境等原因，都会是光纤出现形变，或者是受力不均匀的现象，这就使光纤转变为不同方向的异性介质，并导致光纤出现双折射的现象。
系统的抗偏振衰落技术，主要是依据光纤的双折射以及光偏振态所具有的变化之间的关系进行分，以此使偏振态控制器所产生的干扰信号的强度得以有效增强，并使长距离振动传感系统对振动信号所具有的探测能力得以有效提高。
对于长距离振动传感系统而言，其主要是通过对全光纤M-Z的干涉仪结构进行选用。而保偏光纤由于具有较高的成本，因此，系统就需要对普通的G652单模光纤进行使用。如图1所示，由于普通的单模光纤所具有的双折射能够使x与y方向上所具有的基模LP01或者HE11，有着不同的传播常数，这就会使基模的偏振态能够沿着光纤所延伸方向产生相应变化。如果光的偏振态通过一个周期，变回成初始的状态，其所产生的光纤长度就是一个拍所具有的长度Lb：Lb=2π/Δβ，其中，Δβ是单模光纤当中两个互相正交的偏振基模，也就是HE11x与HE11y沿着光纤的轴向实施传输过程中的传播常数差为：Δβ=βx-βy=2π(nx-ny)/λ[5]。以上所述的两个物理量当中，Δβ主要表现为单模光纤双折射主要原因为：拍长Lb主要表现为单模光纤双折射所具有的大小。
图1 光纤双折射导致偏振态的改变示意图
（二）、相位锁定技术
对于长距离分布式的光纤传感系统而言，其主要对光纤M-Z的干涉仪结构进行选用，其所输出的信号，主要就是指干涉仪所产生的相位差。其在实际运用过程中，不仅需要对振动信号所导致形成的相位差变化进行感测，而且光纤应力与温度等相对的缓变也会使相位差产生变化。而对于这种较为缓慢的、出现的相位变化而言，其会对信号输出所具有的响应度以及灵敏度都具有严重影响。
相位锁定技术使用主要的检测方法为以下几点：（1）相位调制载波法。该法主要由A.Dandridge等人所提出的，其主要是对小相位进行检测，实际的测量范围主要为10-7rad[6]。对于长距离的M-Z振动传感系统而言，主要是对PGC进行利用，其实现探测灵敏度较高的主要原理就是，在M-Z干涉仪上面的探测臂上，对有规律的扰动实施相应的引入，以此产生相应的载波，并将需要进行探测的小相位信号在载波上实施加载，并通过载波的探测，对小相位实施相应的检测。（2）直流相位跟踪法。由于这种方法的实现较为简单，只需要使用模拟信号就可以实施相应处理，且处理速率较快，并能够在距离较长的振动传感系统中所适用。在距离较长的M-Z振动传感系统当中，主要是使用直流相位跟踪法对系统的锁相进行实现，其主要思想就是指，将光纤干涉仪所输出的两路互补光信号，都需要通过光电转变为电信号，两路电信号通过放大后，就会转变为环境扰动信号，然后使用反馈电路，对相位控制器进行相应的驱动，从而使传感系统能够将相位锁定在π/2位置，以此使系统所具有的探测灵敏度得以有效提高。
四、结束语
综上所述，本文中所研究的长距离分布式光纤振动传感系统，都需要在振动事件发生的状况，才能够进行。如果有多个事件同时发生的时候，光信号之间就会彼此之间产生影响，这就会对振动事件的实际定位以及判别产生影响。本文主要通过双M-Z干涉仪，所产生的振动信号就会成为两个PD的时间差，并对振动时间的实际发生地点进行计算。而定位技术最重要的就是对其时间差的高效获取。同时，在对M-Z干涉仪进行实际处理的时候，首先需要使用小波滤对信号进行相应的预处理，以此确保定位的精确度。
参考文献:
[1]黄新锐,侍海峰,王广祯等.准分布式光纤振动传感系统信号增益均衡及稳定技术[J].电子器件,2016,39(3):558-563.
[2]王宇,吴瑞东,王东等.分布式光纤振动传感系统的多级零频点定位研究[J].传感技术学报,2017,30(5):655-659.
[3]吴瑞东,王宇,王东等.光纤振动传感系统相位调制模块的嵌入式设计[J].传感技术学报,2017,30(2):200-205.
[4]田孝忠,孙巍,王海明等.基于分布式光纤振动传感的清管器跟踪定位方法[J].油气储运,2017,36(3):310-313.
[5]黄新锐,王广祯,侍海峰等.分布式光纤振动传感系统大传感数据流时间周期压缩与传送技术[J].传感技术学报,2015,28(10):1442-1447.
[6]何剑,王二伟.基于相干检测的偏振光时域反射光纤振动传感系统[J].传感技术学报,2017,30(7):1017-1021.
论文作者:李顺为
论文发表刊物:《防护工程》2018年第14期
论文发表时间:2018/10/22
标签：光纤论文; 相位论文; 干涉仪论文; 偏振论文; 系统论文; 信号论文; 分布式论文; 《防护工程》2018年第14期论文;