创新性光纤分布式声波传感技术及其应用.pdf

简介：
新型微结构光纤分布式声波传感技术是一种基于微结构光纤这一新型传感媒介的有效探测手段。与传统声波传感系统相比，该技术具有显著的灵敏度优势和广域监测能力，并且覆盖了较宽的工作频率范围。通过精密光刻技术，在常规通信光纤主纤维中实现了对纵向分布式的微结构光单元的精确加工，从而成功构建了新型分布式微结构光纤系统（DMOF）。基于此新型光纤架构，我们成功设计并构建了微结构光纤分布式声波传感系统（MF-DAS）。借助于微结构光散射效应的应用，该系统的灵敏度和信噪比得到了显著提升。在MF-DAS系统中，微结构光纤链路均衡技术构成了其核心技术内容，并有效减少了远端与近端传感信号强度之间的差异程度。该系统还开发了一种新型的微结构光通信技术方案，即M-OTDR波分复用扩频系统。相比于传统技术，此方案显著提升了声波信息收集能力。得益于前述技术创新成果的支持，在地下、水下环境下的声波信号采集，重大基础设施内部损伤监测等应用领域均展现出良好的性能表现和实际价值。分布式微结构光纤（DMOF）是通过精密光刻技术在普通通信光纤的纤芯中依次制造纵向微结构散射单元而形成的一种新型光纤。该设计显著增强了光纤对声波的感受能力。光纤传感技术是一种基于光在光纤传输过程中受温度、压力、应力等多种因素影响而发生散射、吸收或相位变化等现象来进行测量的技术。分布式声波传感系统（DAS）是一种将光纤作为敏感元件的应用，通过光散射效应的变化来监测和评估声波的位置及强度。传统的声波传感器通常采用压电式、电容式或电感式的结构设计，而光纤敏感技术凭借其优异的绝缘性能、抗电磁干扰能力以及微小尺寸等特性，在特定应用场景中展现出显著优势。该方法采用微结构光时域反射（M-OTDR）原理，在提升声波检测灵敏度的同时，通过引入微结构优化设计。其创新性在于结合时分散和频分散理论，在一定频段内显著提升了声波探测性能。在系统架构方面，采用时隙分插复用扩频方案，在保证检测灵敏度的同时实现了频宽显著提升。在实际应用领域中，MF-DAS系统能够布置于地下管线、隧道、桥梁以及大坝等基础设施，并通过持续监测实现对结构健康状态的评估与维护。在安全监管层面，该系统可执行持续不断、实时监控以及全面评估周边环境的工作，从而及时识别异常状况并采取预防措施，有效维护公共安全。这一技术通过多种创新设计实现了声波信号的高灵敏度与宽频带监测，在多个领域提供了有效的传感方案。该技术的应用和发展，在声波监测领域实现了重要突破，并为智能传感网络、结构健康监测系统以及安全监测等领域的研究与发展奠定了基础，不仅推动了光纤传感技术的进步，也为未来的科技进步指明了方向。