物联网监测之光纤振动传感器

1.光纤通信及传感
       1.1光纤通信原理
        所谓光纤，光导纤维的简称，是一种由玻璃或者其他材料制成的光波导。光能够在光纤中传输最基本的原理就是全反射。全反射是当光从光密介质（折射率相对较高）入射到光疏介质（折射率相对较低）时，光不再发射折射，全部反射到原介质中去。这是光纤传输最基本且最重要的原理，要求纤芯折射率n1>n2，其次反射角θ大于全反射临界角，这样才能保证光能够在光纤中一直传输下去（注：这里讲的都是阶跃型折射率光纤，就是最普通的光纤）。



光纤的基本结构

       光都能在光纤中传导下去除了满足全反射这个条件，还需要满足一个条件：相位匹配条件。



        首先，光纤中的光传输要求满足全反射条件，即上图中θi角要大于全反射临界角，其次，需要满足相位匹配条件，接下来我们分析：

【1】光纤传输相位匹配计算

       上图中绿色和紫色的表示某一个角度的一系列平行光，蓝色虚线是等相面（与入射光垂直），相位匹配条件就是让这系列平行光满足同相位，也就是BC和EF光程差走过的相位差要是2π的倍数，根据公式2π/λ×光程差=相位差，我们得到了以下公式：



       上式中为什么多减了2项，那是因为全反射的时候，并不是在界面处就直接反射，而是存在倏逝波，会有一定的深度，这是会引起一定的相位变化，这个相位变化大小与两种材料的折射率有关，是个固定值，所以需要把2次反射的相位差给减掉。然后再根据几何原理计算BC-EF用纤芯直径d和入射角θi表示，于是得到如下公式：



       显然，相位匹配条件，如果光纤确定的情况下（直径d和折射率n），不同的m值，会对应不同的入射角θi，这就是我们所说的多模（式），而且这个入射角是离散的。



光纤不同模式光斑分布图

        反推，根据上面公式，让光纤纤芯直径d在某一个范围内，使得m取值只能等于0，不能等于1，那么这根光纤就是单模光纤。所以正常情况下，单模光纤的纤芯直径较小，在4~10 μm；多模光纤的纤芯直径较大，在50 μm以上。

【2】光纤特性

       前面阐述了光纤的传输原理，接下来再介绍光纤最重要的2个特性。

       第一个特性：损耗，即衰减。光在光纤中传输的损耗是由吸收、散射以及弯曲造成。
       吸收损耗，就是指材料对光的吸收。制造光纤的二氧化硅材料本身就吸收光，所以会造成一部分的损耗，其次杂质对光的吸收，例如一些有害的金属杂质铜、铁、铬、锰等，所以通过对光纤材料的提纯，可以大大减低光纤的吸收损耗。石英光纤中还有个重要的吸收源：氢氧根（OH-），我们知道水在红外波段有吸收峰，所以氢氧根对光纤的影响也非常大，而且不易被清除。例如，在1.39 μm波段，含量仅为万分之一的氢氧根吸收损耗能高达33 dB/km。
       散射，光纤中也会有散射，包括瑞利散射，强光下的非线性散射：拉曼散射、布里渊散射等，这是光纤振动传感监测技术的最大只要理论依据，稍后在细化说明。这是正常的材料散射，另外还有一种就是波段散射，即因为光纤结构的不完善引起的散射衰减，比如光纤熔接时候的散射、光纤本身材质不均匀、有气泡等。

       弯曲，光在光纤中传输是基于全反射原理，如果弯曲过度会造成弯曲部分会因为不满足全反射角的条件导致一部分光透射到包层中去，从而造成一部分光的损失。
     另外一个特性：色散。色散，顾名思义，颜色散开了，也就是不同波长（频率）的光传播速度不一致，导致跑得不一样快，脉冲就会展宽。



材料色散图

        其实色散可以分为三种：材料色散、模式色散、波导色散。上图就是材料引起的色散；模式色散是指在不同模式情况下，光走过的路程长短是不一样的，因此到达终点的时间不一致，这也会引起色散；最后一种波导色散是指在同一个模式下，一部分光（与频率无关，所以不是材料色散）因为在纤芯和包层没发生全反射，而在包层和涂覆层之间反射全反射，所以导致这部分光通过了包层然后再回到纤芯中传播，所以与另一部分同频率的光只在纤芯中传播的传输距离不一致，从而导致了同频率光的色散。

1.2光纤通信与传感
       光纤最初的用途是用来通信的，网速（10M，20M，50M等）有快有慢，那这网速到底指的是什么，由什么决定？
     举个例子，10M的带宽，下载速度就是10Mbit/s，对应网速就是1.25MByte/s。所以如果要提高网速，其实就是要增加光纤的带宽。那带宽又是啥？很好理解，带宽就是频率带的宽度，也就是光在光纤中传输的时候，我们最基本的要求肯定是传输信号要正确的，不能误码，否则不就出错了嘛。但是由于色散特性的存在，不同频率的光跑得不一样快，所以在时域频带会展宽，这导致各码元之间会重叠，为了保证正确性，就需要加大码元之间的时间间隔，自然会降低容量。所以，影响光纤带宽的因素是光纤的色散特性，光纤的色散愈小，光纤的带宽愈宽。
     最后，光纤除了传输光信号，还能用来做啥？基于光在光纤中传输的散射及部分散射光回传信息感知特性用来做传感，检测各种物理条件。举例说，你把光缆全部埋在地底下或者海洋底下，如果某一点坏了，你怎么知道哪里坏了？



光纤瑞利散射回波信号图

        从上图可以看到，利用瑞利散射的特性，我们可以得到散射回来光信号的分布图，损耗是随着距离增大逐渐增加的，如果在某一处有跳变，说明这个地方损耗比较严重，应该是节点之类的。如果在某个节点彻底断了，没有回波信号，那么根据距离=速度*时间的原理，通过测得这个点回来信号的时间，就能大致计算出这个断点的位置。
     另外，光纤所在的外部环境：压力或者温度都会对光纤的衰减产生一定的影响，所以就可以利用这一特性来检测外部环境条件。以分布式布里渊散射传感为例，众所周知，当在强光作用下光纤会产生非弹性散射，包括布里渊散射，而布里渊散射会受到压力和温度的影响。所以，我们根据布里渊频移的量，就能得到一个方程，关于压力和温度的二元一次方程。如果要解出这二个变量，我们还需要再来一个不相关的函数，否则谁知道压力和温度这二个量变化的贡献大小。恰好，瑞利散射强度也会随着压力和温度的变化而变化，而布里渊散射的强度刚好是瑞利散射强度的常数（理论证明是一个定值）倍，这样联立这2个方程组，我们就能解出压力和温度这2个未知数。

2.光散射与光纤传感
       光的散射是指光线通过不均匀介质一部分偏离原来传播方向的现象。如果光入射的是均匀介质，光只会发生发射、折射，不会产生散射。光的散射有很多种，例如米氏散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射等。如果我们从光频率是否改变的角度来分，可以分为二种：弹性散射和非弹性散射。所谓弹性散射是指光的波长（频率）不会发生改变，入射是什么波长的光，散射后还是什么波长的光，例如米氏散射、瑞利散射等。而非弹性散射即指散射前后光的波长发生了改变，例如拉曼散射、布里渊散射、康普顿散射等。

2.1瑞利散射
      瑞利散射是弹性散射的一种，通常需要满足的条件是微粒尺度远小于入射光波长，一般要小于波长的1/10，且各个方向的散射强度不一致，该强度与波长的4次方成反比。
     那瑞利散射在日常生活中有什么表现呢？比如我们平常看到天是蓝色的，海水也是蓝色的，这是因为天空和海水本来就是蓝色的吗？当然不是。天空本来是没有颜色的，只是由于大气分子的存在，当太阳光入射到地球上的时候被散射了。前面提到，瑞利散射的强度与波长的4次方成反比，也就是说，波长越短，散射强度越强，所以蓝紫光被散射得最厉害，因此，天空呈现蔚蓝色。那又有人要问了，为啥不是紫色？是因为紫光被大气吸收了，且人眼对紫光不敏感。



      同理，海水的蓝色也是因为水分子的散射造成的，如果你走近了看，海水是透明无色的。另外，离得越远越深的海水，蓝色也越深甚至发黑，那是因为远/深处海水的散射光被你接收到的光变少了，所以呈现出深黑色。

2.2米氏散射
      米氏散射，前面提到，瑞利散射的颗粒一般远小于光波长，当颗粒增加直到光波长量级（λ）甚至达到10λ，那么就符合米氏散射的规律。米氏散射的强度与光波长的2次方成反比，且随着颗粒的增大，散射强度随波长变化的起伏变弱，如下图所示。这也是为什么你看到的云是白色的原因。当然，如果颗粒尺寸再增加，大于50λ，那么就不能再以散射模型来分析，而是直接以几何光学模型来讨论了。



米氏散射与瑞利散射的区别

       弹性散射中还有一种现象：丁达尔效应。其实它也是一种很常见的散射现象，例如光透过云层的时候，早晨透过森林的时候，甚至雾霾时车灯发出的光束，都能看到光的线条。当然如果没有散射的话，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，没有任何光线。



丁达尔现象

2.3拉曼散射
       介绍了弹性散射，现在我们再来看看非弹性散射，即光的频率在散射前后发生了改变。



拉曼散射与瑞利散射的区别

       拉曼散射是由于样品分子振动等相互作用引起入射光频率发生变化的散射。假设用虚能级来表示，当处于振动基态/激发态的分子在光子作用下，激发到高能级又回落到激发态/基态，散射光的能量会发生改变，产生斯托克斯光和反斯托克斯光。最重要的是，拉曼谱线由分子振动决定，与入射光频率无关。这意味着可以利用这一效应来检测和鉴定物质组成成分。



拉曼散射机制

        另外需要注意的是，由于拉曼散射强度是非常小的，大约只占整个散射光（瑞利散射等）的0.01%。而瑞利散射又只占入射光强度的0.1%，可想而知拉曼光谱信号是非常弱的。所以，我们经常看到一种技术：表面增强拉曼光谱。通过利用表面等离子体增强机制，极大地增强拉曼光谱的信号，从而成为我们常用的分析工具。

2.4布里渊散射
       布里渊散射也是非弹性散射的一种，本质上也属于拉曼效应，是由于光在介质中受到激发后产生不同频率的散射光。原理如下：一个泵浦光子转换成一个新的频率较低的斯托克斯光子并同时产生一个新的声子；同样地，一个泵浦光子吸收一个声子的能量转换成一个新的频率较高的反斯托克斯光子，其实原理类同于拉曼散射。布里渊散射目前大量应用于分布式光纤传感当中，而且由于它在温度、应变测量上达到的测量精度、范围以及空间分辨率明显高于基于瑞利散射/拉曼散射的传感技术，所以得到了广泛的研究与关注。

3.光纤振动传感
      3.1 光纤传感原理
       光纤传感技术是利用光纤的一维空间连续特性进行测量的技术，光纤即是传感元件又是传输元件，可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的参量（如温度、振动、应变等）进行连续测量，获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息，实现大范围连续测量。



       外界的任何振动波（包括声波、温度场），都会对光纤内的玻璃晶格产生影响，造成晶格的同频振动；一定强度的光打入光纤后，就会收到细微的散射回波，这些回波会将晶格的振动信息带回来；当我们对这些信息解调分析后，再经过降噪，解析，还原等一系列算法，就可以将振动区域的振动信息进行还原，并确定振动区域的位置。



3.2光纤中的偏振态
       光信号在传输介质中传输，在垂直传播方向的平面内，光矢量可能有不同的振动状态，这些不同的振动状态就称为偏振态。常见的偏振态有线偏振态、圆偏振态、椭圆偏振态三种。光在光纤中传输时，由于边界的限制，其电磁场是不连续的，这种不连续场的解称为模式。只能传输一种模式的光纤为单模光纤；能同时传播多种模式的光纤为多模光纤。多模光纤中，由于不同模式光的偏振态是随机分布的，使得光纤中输出光的偏振态呈现自然光的特性，因此只有在单模光纤的光信号具有偏振特性。

       光纤中传播的偏振光若要保持稳定的偏振态，则在 x 轴和 y 轴两个方向上的偏振光的相位差δ=δ2-δ1应保持恒定。但由于单模光纤中存在固有双折射，这会为 x 轴和y 轴两个方向上的偏振光引入随距离持续变化的附加相位差，因此偏振光在光纤中传播时，其偏振态会随着其在光纤中的传播而不断变化。只有当光波为线偏振光且始终沿 x轴或y轴振动，其偏振态才保持不变。

       但由于单模光纤中的归一化双折射B=(nx-ny)/n很小，一般在 10-6~10-5，当其产生弯曲或受到温度、扭转等外部作用时，极容易是两个方向上的偏振光产生耦合，因此单模光纤的双折射轴在光纤沿线的分布具有随机性，实际的单模光纤中的偏振态不能保持恒定。对于高双折射的保偏光纤，其归一化双折射 B 高达 10-3 以上，可以有效保证双折射轴的稳定性。因此当线偏振光沿着其 x 轴或y 轴方向振动时，可以有效保证光波的偏振性。

      用来描述光纤传输特性的传输矩阵可以表示为如下的形式：

      R（β）=R（γ、φ、θ）=Rx（γ）RY（φ）RZ（θ）

      由于外部的扰动会改变光纤的双折射，而光纤的双折射又会进一步改变光纤传输矩阵中的晶格矩阵元素，因此光纤外部的扰动最终会反映在光纤中光波的偏振态上。当光波在光纤中产生散射时，会保持光波原有的偏振态；当光纤上存在外界作用时，散射光的偏振态会发生改变。因此，通过测量光纤中散射偏振态的变化，便可实现外部信息的传感。

3.3光纤传感模块
       光纤传感模块，内部集成超窄线宽光源、脉冲 EDFA 、 Raman 放大器、光波分复用，同时集成调制器、检测器等光学器件。

光纤传感模块组成示意
       其中光源是一个脉冲激光器，用于发射脉冲光信号。对于脉冲光信号的线宽有一定的要求，需要进行调制，为防止激光器产生退偏效应，光源的线宽不能太宽，同时，线宽也不能太窄，因为在线宽太宽时，散射光回波容易产生干涉，造成功率上的波动，从而影响偏振态的检测。环形器，是一个三通道环形器，入射光从 1 端口入射光纤通过端口 2 出射，反射回来的光通过 2 端口入射，从 3 端口出射。探测器是用来检测散射光信号中某一特定偏振态的光。光纤就是传感器，无需对光纤做任何调整和改造。系统将固定频率和波长的探测光从光纤的一端注入，光纤的每一个位置都会产生散射回波，该回波中携带有光纤分子团晶格的偏振参量。当周围环境的声波能量传递到光纤中的玻璃晶格上时，晶格产生的散射回波的偏振态会随着晶格的振动频率而振动。解调该偏振振动能量差，即可得到该点的振动特征。

3.4光纤传感的关键指标
当前对光纤传感设备的主要关注指标：

1）空间采样精度

2）定位精度

3）感知范围

4）采集间隔

5）响应时间

3.5光纤传感信息处理
        光纤传感在采集场景偏振信息后，先做预处理，如信号放大、降噪等，并进行偏振特征提取，再需要根据场景应用需要，构建偏振特征与业务表征的映射计算模型。

       实际应用中，同一通道接入光纤其在不同监测点使用场景下，其光纤振动的反馈可能不一样，针对具体特定场景设立针对的计算模型，即同一光纤或通道的各个监测点可以独立进行计算识别，允许各个监测点的参配信息（温湿度）、计算模型等不一致性及可配置。监测点的正常状态和异常状态在行业专家判定往往结合现场实际综合判定，即背景噪声也会作为判定识别计算模型输入信息的组成部分。

       当前光纤传感信号处理及感知判定主要实现：

1）通过预处理算法，提取偏振信息离散信息，依据各个监测点提取其位置信息、偏振幅值等，并进行时序记录；

2）通过仿真计算或理论公式将偏振信息直接计算转换为需要的数值，如温度、声纹等；

3）直接将偏振特征进行场景态势判定，通常做法是根据正常状态表征来识别异常状态，进而告警与确认，通过不断构建正态库，逐渐缩小判定差距，类似图像特征分析般，借助长短记忆算法、机器学习、深度学习等实现对偏振特征智能化分析；

4）业务判定进行告警联动以及联动第三方系统或设备驱动执行指令，实现自主化及自动化。

3.6光纤传感应用
1）石油、天然气等管道监测

2）园区、要地周界、边海防等安防监测

3）设施、设备健康诊断

4）大型建筑、大坝、桥梁、公路、铁路等健康诊断

5）隧道、地下管廊安全监测

6）动力电缆、光缆等安全监测
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