光纤传感

Consult
WikipediaConsult Google
Scholar

背景

光纤、光缆应用于光通信领域已有很长时间的历史了，它们被大量生产并使用于世界各地。大规模生产使得光纤、光缆的单价非常低廉。

光纤由三部分组成：纤芯，包层和涂覆层。纤芯通常由玻璃制成，但有时也会是塑料制成。实际上，光纤就是一种光波导。当光在光纤中传播时，光波的一些性质（例如：光强，相位，偏振态和频率）被环境参数所调制，那么光纤就可以被当作一种传感器使用。因此，光纤传感（fiber optics sensing，FOS）系统原则上由光源、光纤、传感元件和光电探测器组成。这种系统有许多优点，即：被动探测、免受电磁干扰、可在恶劣环境中工作、耐高温等，并且由于尺寸小，通常可以容易地嵌入或附着在待测物体上。

多年来，人们已经开发了各种光纤传感技术，并且相关产品可以在市场上购买到。其中包括基于瑞利（Rayleigh）散射、拉曼（Raman）散射和布里渊（Brillouin）散射技术的分布式光纤传感器，可以检测应力和温度的变化。在分布式光纤传感中，整个光纤就是一个传感器，可以在几十公里内以厘米级分辨率测量应力（瑞利散射，布里渊散射）和温度（瑞利散射，布里渊散射，拉曼散射）。

分布式光纤传感器中的数据采集和信号处理需要高采样率、高垂直分辨能力的数字采集卡，因为这些因素会影响整个传感系统的检测能力。

技术

光时域反射仪

光纤传感中最常用的技术之一是光时域反射仪（Optical Time Domain Reflectometry，OTDR）。类似于雷达的工作原理，光时域反射仪基于脉冲回波测量技术——将短激光脉冲输入到光纤中，并分析后向散射光。根据后向散射光的到达时间，可以计算出测量物理量的具体位置。

边界安全检测

边界安全检测是使用光纤传感技术的典型应用。将光纤埋在边界的地下，如果人或车辆触碰边界，测量系统会检测施加到光纤上的压力。

栅栏、墙壁和管道也可以使用光纤传感进行保护。如果出现破裂，测量系统将能够快速、准确地定位破裂发生的位置。

光频域反射计

另一种常用光纤传感技术是光频域反射计（Optical Frequency Domain Reflectometry，OFDR）。光频域反射计通过测量光纤的整个后向散射信号，然后对数据进行快速傅里叶变换以提取待测量的信息。

对于某些应用，OFDR优于OTDR。具体而言，OFDR技术非常适用于在较短距离范围内需要兼具高速、高灵敏度和高分辨率的应用。

信噪比和信号处理

基于光纤传感的检测方法通常由于待测信号较弱以致信噪比偏低，因此限制了测量的精度。为了改进此问题，可采用多次测量取平均或外差探测的方法，但这就需要更复杂且高性能的数字信号处理设备。

ALAZARTECH的优势

由于极高的垂直精度、快速的数据传输速度以及基于FPGA的数据处理功能（可选），AlazarTech的PCI Express接口数字采集卡是光纤传感应用的理想选择。由于AlazarTech数字采集卡的输入信号是电信号，所以在光纤传感应用中，还需要一个光电探测器完成光电转换。

高垂直分辨率的数字采集卡允许光纤传感系统检测极弱的后向散射信号，可大大提高光纤传感系统的灵敏度。

更重要的是，AlazarTech数字采集卡能够通过PCI Express总线不间断地传输数据，以免丢失任何重要数据，可用于实时信号分析。

AlazarTech的高级程序接口（API）和稳定的软件驱动程序允许用户快速可靠地构建完整系统，包括与GPU的接口。

一个典型的光纤传感应用为：使用AlazarTech数字采集卡获取一系列A-scan （又称记录，records）数据并创建数据矩阵，其中每行是一组A-scan数据。然后，通过计算机的CPU或GPU，软件对矩阵的每列数据执行快速傅里叶变换以提取所需信息。

CLICK TO ENLARGE IMAGE

另外，还可以使用FPGA进行高速互相关运算以实现分析光功率的目的。这已成为ATS9373上的一项定制项目。如果您需要类似的定制解决方案，请联系我们获取更多信息。