文 献 综 述

1. 光纤传感技术的应用现状与发展趋势

随着传统通信技术的发展和成熟，光通信技术正朝着超高速、大容量通信的方向发展。光纤传感器作为光纤和光通信技术迅速发展的产物，以其抗电磁干扰、电绝缘、高灵敏度、高精度、低损耗和测量范围广等优点^[4]，已成为近20 年光电子技术产业研究的热点，对光纤传感器实用化的开发和研究具有极高的市场价值和现实意义^[1]。分布式光纤传感器是其中的重要的应用，光纤传感技术应用领域的研究主要有：军事领域、工程领域、周界安防领域和电力工业领域^[2]。根据检测方式及对象的不同，光纤传感器有数百种，分为光纤测温、测形变、测压力等传感器。根据光纤在传感器中的作用，可分为功能型、非功能型和拾光型光纤传感器三大类^[5]。

2.光纤传感技术的介绍以及应用

光纤传感器主要由光源、光纤、敏感元件、光电探测器和信号处理系统等部分组成^[16]。由光源发出的光经光纤引导至敏感元件，光的某一性质在这里受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光电探测器，使光信号变为电信号，最后经信号处理系统处理得到被测量^[1]。

光纤传感器的主要应用于电力工业，石油工业，建筑工程，医疗系统，军事安防等领域。光纤传感器以其特有的抗电磁干扰能力在电力系统中可用于测量电流、电压、温度等参数。在石油工业中光纤传感器可以克服恶劣的井下环境取代传统的电子传感器，实现油井的持气率、含水率，检测压力、温度、多相流和声波测量。在建筑工程中，可以利用光纤传感器实时监测桥梁、大坝、重要建筑物等的温度、应力、压力、振动、倾角等物理量,以评估其短期及长期的结构安全性能^[14]。目前，光纤传感技术主要为”点式”。对大型工程来说，点式光纤传感技术感应分布分散，若问题部位不分布在布有传感器的点上，则不敏感甚至不感应，极易造成疏漏。连续分布式光纤传感器可以将任何一项大型建筑工程与互联网连接起来，通过温度和应力的检测，24 小时监测工程的”健康状况”。在临床医学上，由于光纤传感器柔软、小巧、自由度大、绝缘、不受射频和微波干扰、测量精度高，常用于对人体血管等的探测，目前在临床医学中应用最多的仍然是分布式光纤传感器。在军事安防方面，光纤传感器可用于水声探潜(光纤水听器)、光纤制导、姿态控制（光纤陀螺）、航天航空器的结构损伤探测(智能蒙皮)以及战场环境的探测等方面。在航空航天领域中，战术导弹用光纤陀螺测量导弹运动过程中的俯仰角、偏航角和横滚角，以引导导弹准确命中目标。目前能广泛应用于海防领域的光纤传感器是研发最早、发展最快的光纤水声传感器（光纤水听器），由光纤水听器构成的海防传感网络系统，是目前正在开发的新型防卫系统，该系统已开始用于海上边防和重要军事地区的海防警戒。近几年发展起来的基于光纤传感技术的光纤网络安全警戒系统也开始在边防及重点区域防卫中得到推广应用。目前，世界上发达国家使用的安全防卫系统就是基于分布式光纤传感网络系统的安全防卫技术^[1]。

3.分布式光纤温度传感器

分布式光纤温度测量技术的理论基础是拉曼散射原理。拉曼光谱又称拉曼效应^[9]，,当光照射到物质上时会发生非弹性散射，散射光中除有与激光光波长相同的弹性成分外，还有比激光光波长长的和短的成分，后一现象统称为拉曼效应。当光脉冲沿光纤传输时，在光纤的每一点都会产生拉曼散射，该散射是各向同性的，其中一部分将沿光纤返回。如果能够得到拉曼散射的两个斯托克斯分量^[18]，通过适当的运算，就可以得到光纤所处的温度信息，这就是基于拉曼散射的测温原理^{[7] [8]}。

分布式光纤温度传感器是传感器的重要的应用。分布式光纤温度传感技术是一种用于实时测量空间温度场分布的传感技术^[10]。其最显著的优点就是可以准确地测出光纤沿线任一点上的应力、温度、振动和损伤等信息,无需构成回路^[13]。由于点式光纤温度传感器只能测试一小部分区域内的状态，而对某些特定场合空间分布状态测量不准确。分布式光纤温度传感器的出现，使单位获取信息的成本大大降低，而且测量的精度有保障，安全性高，不仅仅在常规的温度测量上，通过适当的转换模型，该技术还可以用在水利设施的渗漏监测、地下管道的泄漏监测，以及动力电缆的温度监测等，探索这些应用技术对于分布式光纤温度测量系统的推广应用还是十分必要的，具有重要的应用价值^{[6] [17]}。

4.光纤传感器的应用前景

光纤传感器的应用前景十分良好，将像四个方面发展。全光纤微型化： 传感头由光纤构成且只使用1 根光纤已成为发展趋势。全光纤传感头的体积小且工作可靠，由于目前光纤之间的熔接损耗为0．1dB 左右，这样的损耗不影响探头的正常工作，目前，光纤之间的粘接技术和光纤端面抛光、镀膜等相关技术等都在研究中。多参量实时化：1 只传感器同时测量多个参量既减少测量装置的元件数量，又可避免多只传感器之间相互影响，因而，多只参量实时监测成为研究的热点。目前已有很多研究者在研究能进行温度、应力、应变同时测量的光纤光栅类传感器，并取得了一定的研究成果。高精度实用化： 光纤传感器在研究过程中各组成元件都是线性理想化的，和实际应用存在一定的差距。因此，光通道中的非线性研究、实际检测动态范围的增大是实用化的基础。阵列化，网络化，易于构成分布式检测系统：构成分布式检测系统可以大幅度提高检测效率，节约检测成本，节省时间人力物力，利用无线传输与网络进行远距离监测也可为特殊环境下的实时检测提供极大方便^[3]。

随着光纤传感器系统的日益发展，它将逐步融入日常的生产和生活之中，发挥越来越大的作用。

参考文献

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1.本课题要解决的问题

本次课题要求参考大量文献，掌握光的拉曼散射效应以及OTDR理论实现温度光纤传感，要求掌握光纤传输方式以及材料、激光器性能参数等等对光拉曼散射效率的影响；了解把握光源、接口以及调制机构对光纤传感器的灵敏度性能方面的影响，选择相应的光源，接口方式等能初步研究出性能较好的光纤传感器的结构。

2.本课题拟采用的研究手段

对于本课题需要采用理论与实验相结合的方法才能完成。理论部分主要需要通过参考大量的文献并及时进行自我归纳总结可有一定的收获。对于传感器的性能测试与结构设计需要通过实验的方法得到。首先需要具备一定的电路，传感器，接口技术等方面的知识，然后设计出性能良好的光纤传感器，并通过实验的方法测试传感器的性能。光源的选择可选择非相干光源或相干光源^[12]。通常会选择激光器，因为激光器光学均匀性好，输出光束具有较好的方向性，单色性和较高的稳定性。激光器又分为气体激光器，液体激光器，固体激光器和半导体激光器。传感器测量的数据要进行一定的校准与处理后经过数据采集系统A/D转换可以通过接口传给计算机^[11]。传感器与外界的接可以选择并行接口、串行接口 、磁盘接口、USB接口等方式。

3.验证方法及实验手段、过程和预期结论

通过改变变量的方法来验证。首先熟悉和掌握光路传感器的工作原理及使用方法，信号的处理，基本电路的设计与调试，通过不断改变光源的强度来记录输出数据的变化，对数据进行研究分析，得出结论^[15]。

希望通过不断的调试可以使新设计的光纤传感器具有良好的准确性，稳定性，高灵敏度，抗干扰，低损耗等特点。完成初步设计后再次学习相关知识，力求为本次设计提出更好的改善方案。