1.光纖通信及傳感

?????? 1.1光纖通信原理

??????? 所謂光纖，光導纖維的簡稱，是一種由玻璃或者其他材料制成的光波導。光能夠在光纖中傳輸最基本的原理就是全反射。全反射是當光從光密介質（折射率相對較高）入射到光疏介質（折射率相對較低）時，光不再發射折射，全部反射到原介質中去。這是光纖傳輸最基本且最重要的原理，要求纖芯折射率n1>n2，其次反射角θ大于全反射臨界角，這樣才能保證光能夠在光纖中一直傳輸下去（注：這里講的都是階躍型折射率光纖，就是最普通的光纖）。

光纖的基本結構

?????? 光都能在光纖中傳導下去除了滿足全反射這個條件，還需要滿足一個條件：相位匹配條件。

??????? 首先，光纖中的光傳輸要求滿足全反射條件，即上圖中θi角要大于全反射臨界角，其次，需要滿足相位匹配條件，接下來我們分析：

【1】光纖傳輸相位匹配計算

?????? 上圖中綠色和紫色的表示某一個角度的一系列平行光，藍色虛線是等相面（與入射光垂直），相位匹配條件就是讓這系列平行光滿足同相位，也就是BC和EF光程差走過的相位差要是2π的倍數，根據公式2π/λ×光程差=相位差，我們得到了以下公式：

?????? 上式中為什么多減了2項，那是因為全反射的時候，并不是在界面處就直接反射，而是存在倏逝波，會有一定的深度，這是會引起一定的相位變化，這個相位變化大小與兩種材料的折射率有關，是個固定值，所以需要把2次反射的相位差給減掉。然后再根據幾何原理計算BC-EF用纖芯直徑d和入射角θi表示，于是得到如下公式：

?????? 顯然，相位匹配條件，如果光纖確定的情況下（直徑d和折射率n），不同的m值，會對應不同的入射角θi，這就是我們所說的多模（式），而且這個入射角是離散的。

光纖不同模式光斑分布圖

??????? 反推，根據上面公式，讓光纖纖芯直徑d在某一個范圍內，使得m取值只能等于0，不能等于1，那么這根光纖就是單模光纖。所以正常情況下，單模光纖的纖芯直徑較小，在4~10 μm；多模光纖的纖芯直徑較大，在50 μm以上。

【2】光纖特性

?????? 前面闡述了光纖的傳輸原理，接下來再介紹光纖最重要的2個特性。

?????? 第一個特性：損耗，即衰減。光在光纖中傳輸的損耗是由吸收、散射以及彎曲造成。
? ? ?? 吸收損耗，就是指材料對光的吸收。制造光纖的二氧化硅材料本身就吸收光，所以會造成一部分的損耗，其次雜質對光的吸收，例如一些有害的金屬雜質銅、鐵、鉻、錳等，所以通過對光纖材料的提純，可以大大減低光纖的吸收損耗。石英光纖中還有個重要的吸收源：氫氧根（OH-），我們知道水在紅外波段有吸收峰，所以氫氧根對光纖的影響也非常大，而且不易被清除。例如，在1.39 μm波段，含量僅為萬分之一的氫氧根吸收損耗能高達33 dB/km。
? ? ?? 散射，光纖中也會有散射，包括瑞利散射，強光下的非線性散射：拉曼散射、布里淵散射等，這是光纖振動傳感監測技術的最大只要理論依據，稍后在細化說明。這是正常的材料散射，另外還有一種就是波段散射，即因為光纖結構的不完善引起的散射衰減，比如光纖熔接時候的散射、光纖本身材質不均勻、有氣泡等。

?????? 彎曲，光在光纖中傳輸是基于全反射原理，如果彎曲過度會造成彎曲部分會因為不滿足全反射角的條件導致一部分光透射到包層中去，從而造成一部分光的損失。
? ?? 另外一個特性：色散。色散，顧名思義，顏色散開了，也就是不同波長（頻率）的光傳播速度不一致，導致跑得不一樣快，脈沖就會展寬。

材料色散圖

??????? 其實色散可以分為三種：材料色散、模式色散、波導色散。上圖就是材料引起的色散；模式色散是指在不同模式情況下，光走過的路程長短是不一樣的，因此到達終點的時間不一致，這也會引起色散；最后一種波導色散是指在同一個模式下，一部分光（與頻率無關，所以不是材料色散）因為在纖芯和包層沒發生全反射，而在包層和涂覆層之間反射全反射，所以導致這部分光通過了包層然后再回到纖芯中傳播，所以與另一部分同頻率的光只在纖芯中傳播的傳輸距離不一致，從而導致了同頻率光的色散。

1.2光纖通信與傳感

?????? 光纖最初的用途是用來通信的，網速（10M，20M，50M等）有快有慢，那這網速到底指的是什么，由什么決定？
? ? ?舉個例子，10M的帶寬，下載速度就是10Mbit/s，對應網速就是1.25MByte/s。所以如果要提高網速，其實就是要增加光纖的帶寬。那帶寬又是啥？很好理解，帶寬就是頻率帶的寬度，也就是光在光纖中傳輸的時候，我們最基本的要求肯定是傳輸信號要正確的，不能誤碼，否則不就出錯了嘛。但是由于色散特性的存在，不同頻率的光跑得不一樣快，所以在時域頻帶會展寬，這導致各碼元之間會重疊，為了保證正確性，就需要加大碼元之間的時間間隔，自然會降低容量。所以，影響光纖帶寬的因素是光纖的色散特性，光纖的色散愈小，光纖的帶寬愈寬。
? ? ?最后，光纖除了傳輸光信號，還能用來做啥？基于光在光纖中傳輸的散射及部分散射光回傳信息感知特性用來做傳感，檢測各種物理條件。舉例說，你把光纜全部埋在地底下或者海洋底下，如果某一點壞了，你怎么知道哪里壞了？

光纖瑞利散射回波信號圖

??????? 從上圖可以看到，利用瑞利散射的特性，我們可以得到散射回來光信號的分布圖，損耗是隨著距離增大逐漸增加的，如果在某一處有跳變，說明這個地方損耗比較嚴重，應該是節點之類的。如果在某個節點徹底斷了，沒有回波信號，那么根據距離=速度*時間的原理，通過測得這個點回來信號的時間，就能大致計算出這個斷點的位置。
? ? ?另外，光纖所在的外部環境：壓力或者溫度都會對光纖的衰減產生一定的影響，所以就可以利用這一特性來檢測外部環境條件。以分布式布里淵散射傳感為例，眾所周知，當在強光作用下光纖會產生非彈性散射，包括布里淵散射，而布里淵散射會受到壓力和溫度的影響。所以，我們根據布里淵頻移的量，就能得到一個方程，關于壓力和溫度的二元一次方程。如果要解出這二個變量，我們還需要再來一個不相關的函數，否則誰知道壓力和溫度這二個量變化的貢獻大小。恰好，瑞利散射強度也會隨著壓力和溫度的變化而變化，而布里淵散射的強度剛好是瑞利散射強度的常數（理論證明是一個定值）倍，這樣聯立這2個方程組，我們就能解出壓力和溫度這2個未知數。

2.光散射與光纖傳感

?????? 光的散射是指光線通過不均勻介質一部分偏離原來傳播方向的現象。如果光入射的是均勻介質，光只會發生發射、折射，不會產生散射。光的散射有很多種，例如米氏散射、瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射等。如果我們從光頻率是否改變的角度來分，可以分為二種：彈性散射和非彈性散射。所謂彈性散射是指光的波長（頻率）不會發生改變，入射是什么波長的光，散射后還是什么波長的光，例如米氏散射、瑞利散射等。而非彈性散射即指散射前后光的波長發生了改變，例如拉曼散射、布里淵散射、康普頓散射等。

2.1瑞利散射

????? 瑞利散射是彈性散射的一種，通常需要滿足的條件是微粒尺度遠小于入射光波長，一般要小于波長的1/10，且各個方向的散射強度不一致，該強度與波長的4次方成反比。
? ? ?那瑞利散射在日常生活中有什么表現呢？比如我們平常看到天是藍色的，海水也是藍色的，這是因為天空和海水本來就是藍色的嗎？當然不是。天空本來是沒有顏色的，只是由于大氣分子的存在，當太陽光入射到地球上的時候被散射了。前面提到，瑞利散射的強度與波長的4次方成反比，也就是說，波長越短，散射強度越強，所以藍紫光被散射得最厲害，因此，天空呈現蔚藍色。那又有人要問了，為啥不是紫色？是因為紫光被大氣吸收了，且人眼對紫光不敏感。

????? 同理，海水的藍色也是因為水分子的散射造成的，如果你走近了看，海水是透明無色的。另外，離得越遠越深的海水，藍色也越深甚至發黑，那是因為遠/深處海水的散射光被你接收到的光變少了，所以呈現出深黑色。

2.2米氏散射

????? 米氏散射，前面提到，瑞利散射的顆粒一般遠小于光波長，當顆粒增加直到光波長量級（λ）甚至達到10λ，那么就符合米氏散射的規律。米氏散射的強度與光波長的2次方成反比，且隨著顆粒的增大，散射強度隨波長變化的起伏變弱，如下圖所示。這也是為什么你看到的云是白色的原因。當然，如果顆粒尺寸再增加，大于50λ，那么就不能再以散射模型來分析，而是直接以幾何光學模型來討論了。

米氏散射與瑞利散射的區別

?????? 彈性散射中還有一種現象：丁達爾效應。其實它也是一種很常見的散射現象，例如光透過云層的時候，早晨透過森林的時候，甚至霧霾時車燈發出的光束，都能看到光的線條。當然如果沒有散射的話，你是根本看不到任何光束的，比如你直接看水或者溶液，它都是透明的，沒有任何光線。

丁達爾現象

2.3拉曼散射

?????? 介紹了彈性散射，現在我們再來看看非彈性散射，即光的頻率在散射前后發生了改變。

拉曼散射與瑞利散射的區別

?????? 拉曼散射是由于樣品分子振動等相互作用引起入射光頻率發生變化的散射。假設用虛能級來表示，當處于振動基態/激發態的分子在光子作用下，激發到高能級又回落到激發態/基態，散射光的能量會發生改變，產生斯托克斯光和反斯托克斯光。最重要的是，拉曼譜線由分子振動決定，與入射光頻率無關。這意味著可以利用這一效應來檢測和鑒定物質組成成分。

拉曼散射機制

??????? 另外需要注意的是，由于拉曼散射強度是非常小的，大約只占整個散射光（瑞利散射等）的0.01%。而瑞利散射又只占入射光強度的0.1%，可想而知拉曼光譜信號是非常弱的。所以，我們經常看到一種技術：表面增強拉曼光譜。通過利用表面等離子體增強機制，極大地增強拉曼光譜的信號，從而成為我們常用的分析工具。

2.4布里淵散射

?????? 布里淵散射也是非彈性散射的一種，本質上也屬于拉曼效應，是由于光在介質中受到激發后產生不同頻率的散射光。原理如下：一個泵浦光子轉換成一個新的頻率較低的斯托克斯光子并同時產生一個新的聲子；同樣地，一個泵浦光子吸收一個聲子的能量轉換成一個新的頻率較高的反斯托克斯光子，其實原理類同于拉曼散射。布里淵散射目前大量應用于分布式光纖傳感當中，而且由于它在溫度、應變測量上達到的測量精度、范圍以及空間分辨率明顯高于基于瑞利散射/拉曼散射的傳感技術，所以得到了廣泛的研究與關注。

3.光纖振動傳感

????? 3.1 光纖傳感原理

?????? 光纖傳感技術是利用光纖的一維空間連續特性進行測量的技術，光纖即是傳感元件又是傳輸元件，可以在整個光纖長度上對沿光纖分布的參量（如溫度、振動、應變等）進行連續測量，獲得被測量的空間分布狀態和隨時間變化的信息，實現大范圍連續測量。

?????? 外界的任何振動波（包括聲波、溫度場），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，就會收到細微的散射回波，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還原，并確定振動區域的位置。

3.2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 10-6~10-5，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）

????? 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，散射光的偏振態會發生改變。因此，通過測量光纖中散射偏振態的變化，便可實現外部信息的傳感。

3.3光纖傳感模塊

?????? 光纖傳感模塊，內部集成超窄線寬光源、脈沖EDFA、Raman放大器、光波分復用，同時集成調制器、檢測器等光學器件。 光纖傳感模塊組成示意

?????? 其中光源是一個脈沖激光器，用于發射脈沖光信號。對于脈沖光信號的線寬有一定的要求，需要進行調制，為防止激光器產生退偏效應，光源的線寬不能太寬，同時，線寬也不能太窄，因為在線寬太寬時，散射光回波容易產生干涉，造成功率上的波動，從而影響偏振態的檢測。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。探測器是用來檢測散射光信號中某一特定偏振態的光。光纖就是傳感器，無需對光纖做任何調整和改造。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散射回波，該回波中攜帶有光纖分子團晶格的偏振參量。當周圍環境的聲波能量傳遞到光纖中的玻璃晶格上時，晶格產生的散射回波的偏振態會隨著晶格的振動頻率而振動。解調該偏振振動能量差，即可得到該點的振動特征。

3.4光纖傳感的關鍵指標

當前對光纖傳感設備的主要關注指標：

1）空間采樣精度

2）定位精度

3）感知范圍

4）采集間隔

5）響應時間

3.5光纖傳感信息處理

??????? 光纖傳感在采集場景偏振信息后，先做預處理，如信號放大、降噪等，并進行偏振特征提取，再需要根據場景應用需要，構建偏振特征與業務表征的映射計算模型。

?????? 實際應用中，同一通道接入光纖其在不同監測點使用場景下，其光纖振動的反饋可能不一樣，針對具體特定場景設立針對的計算模型，即同一光纖或通道的各個監測點可以獨立進行計算識別，允許各個監測點的參配信息（溫濕度）、計算模型等不一致性及可配置。監測點的正常狀態和異常狀態在行業專家判定往往結合現場實際綜合判定，即背景噪聲也會作為判定識別計算模型輸入信息的組成部分。

?????? 當前光纖傳感信號處理及感知判定主要實現：

1）通過預處理算法，提取偏振信息離散信息，依據各個監測點提取其位置信息、偏振幅值等，并進行時序記錄；

2）通過仿真計算或理論公式將偏振信息直接計算轉換為需要的數值，如溫度、聲紋等；

3）直接將偏振特征進行場景態勢判定，通常做法是根據正常狀態表征來識別異常狀態，進而告警與確認，通過不斷構建正態庫，逐漸縮小判定差距，類似圖像特征分析般，借助長短記憶算法、機器學習、深度學習等實現對偏振特征智能化分析；

4）業務判定進行告警聯動以及聯動第三方系統或設備驅動執行指令，實現自主化及自動化。

3.6光纖傳感應用

1）石油、天然氣等管道監測

2）園區、要地周界、邊海防等安防監測

3）設施、設備健康診斷

4）大型建筑、大壩、橋梁、公路、鐵路等健康診斷

5）隧道、地下管廊安全監測

6）動力電纜、光纜等安全監測

7）......

總結

以上是生活随笔為你收集整理的物联网监测之光纤振动传感器的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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