1緒論II國內外光纖聲傳感器研究現狀文獻綜述早期聲傳感器主要為壓電式、電容式等聲傳感器，在壓電式傳感器方面，2010年中國科學院研究生院于留波、趙湛等人提出根據薄膜應力分析并結合電荷測量法、電壓測量法的匹配電路優(yōu)化方法，實現了微聲測量，并分析得到在電壓測量法時使用四電極串聯結構，在電荷測量法時使用四電極并聯結構[1]。在電容式傳感器方面，2019年中北大學張鵬飛、王任鑫等人引入了熱阻尼粘滯阻尼的分析，并采用陽極鍵合的加工工藝，使用硅絕緣(silicononinsulator，SOI)的埋氧層作為刻蝕阻擋層設計電容式聲傳感器，實驗測試得到所設計電容式聲壓水聽器的電容平均值為4.277pF，相位平均值為-89.129°，具有優(yōu)秀的電容性特征及良好的一致性[2]。但是上述聲傳感器都存在缺點，易受到電磁干擾的影響，而光纖聲傳感器克服了以上缺點，在此基礎上出現了單點式測量光纖聲傳感器，如2012年山西大學劉靜等人提出基于壓敏薄膜的法珀腔光聲傳感器，并在最佳的法珀腔長度下將信噪比進一步提升到104.9dB[3]。在點式光纖傳感器的基礎上延伸出了分布式傳感器，光纖傳感器的特點是光纖既作為傳輸介質同時也作為傳感檢測點。基于這樣的特性，光纖傳感器分為準分布式光纖傳感器和全分布式光纖傳感器。準分布式光纖傳感器是由分立的檢測位置上放置的多個分立的光纖傳感器構成，使用特定復用和組網方式進行連接，利用各種復用技術例如波分復用、時分復用、頻分復用、碼分復用等方式使多個信息傳輸，共用一個或某幾個傳輸信道而組成的分布式傳感網絡結構。全分布式光纖傳感器是以整個光纖線路作為傳感檢測點，消除了準分布式光纖傳感器只能在部分離散點進行檢測的缺點，實現了真正的分布式傳感。所以現在多數光纖聲傳感研究都是基于全分布式光纖傳感系統(tǒng)。準分布傳感系統(tǒng)和全分布式傳感系統(tǒng)基本框圖如圖1-1和圖1-2。圖1SEQ圖\*ARABIC\s11準分布式光纖傳感系統(tǒng)圖1SEQ圖\*ARABIC\s12全分布式光纖傳感系統(tǒng)國內外近些年來研究都是在全分布式光纖傳感的基礎上進行。在常規(guī)的光時域反射系統(tǒng)（opticaltime-domainreflectometer，OTDR）中，僅能得到振動點位置信息，所以人們在研究中不斷探索可以得到振動全部信息的方式。1998年美國宇航局蘭利研究中心M.Froggatt和J.Moore提出了基于后向瑞利散射的光頻域反射系統(tǒng)（opticalfrequency-domainreflectometry，OFDR）系統(tǒng)，基于OFDR的全分布光纖傳感系統(tǒng)可以獲得振動的幅值、頻率和相位[4]。全分布式光纖傳感的研究便開始逐漸轉向OFDR系統(tǒng)上，OFDR相比于OTDR更高的空間分辨率和高信噪比（signal-to-noiseratio,SNR）。但是傳感距離相比OTDR要縮短不少。2012年加拿大渥太華大學周大鵬、秦增光等人提出在時間序列中，振動狀態(tài)的局部后向瑞利散射光譜相對于非振動狀態(tài)的后向瑞利散射光譜的變化，可以用來確定沿光纖長度的特定位置的動態(tài)應變信息的理論。在測試中，當標準的單模光纖用作傳感頭時，17米的總光纖長度可以達到10厘米的空間分辨率，擁有0-32赫茲的可測量頻率范圍[5]。2015年上海交通大學劉慶文提出了時間門控數字光頻域反射儀（time-gateddigitalopticalfrequencydomainreflectometry，TGD-OFDR），解決了傳統(tǒng)OFDR系統(tǒng)中空間分辨率的光波頻率調諧率與可測距離范圍之間的矛盾，在整個110公里長的光纖鏈路上獲得了1.6米的空間分辨率[6]。同年上海交通大學王帥在時間門控數字光頻域反射儀基礎上，增加了一個90度的光學混合器用來提取相位信息。通過提高掃頻速度的方法，大大減輕了環(huán)境相位干擾對TGD-OFDR的影響，相比一般的OFDR系統(tǒng)的方法更可靠。在測量范圍40公里，空間分辨率為3.5m，可測量頻率高達600Hz而且能夠測量0.08g（g為重力加速度）的振動加速度[7]。2017年電子科技大學錢先洋將數字圖像處理技術引入光纖聲傳感器，使用基于弱信號塊主成分分析法（weak-principalcomponentanalysis，W-PCA）的噪聲估計算法估計傳感系統(tǒng)的噪聲水平，并使用非局域均值濾波(non-local

means，NLM)提高信噪比，在布里淵光時域分析儀（Brilouinopticaltime-domainanalysis，BOTDA）中實現了69%的品質因數的提升[8]。2021年，上海交通大學何祖源、劉慶文提出了一維卷積神經網絡（convolutionalneuralnetwork，CNN）加支持向量機（supportvectormachines，SVM）(SVM代替CNN中的softmax層)的深度學習模型識別事件的發(fā)生，實現了在較短識別時間確定事件類型，在測試中對5種事件類型的識別準確率達到92.62%[9]。圖1SEQ圖\*ARABIC\s131-DCNN和SVM在全分布式光纖聲傳感器的應用Sagnac型光纖分布式聲傳感器使用高功率光源，能夠獲取在振動作用下更加明顯的光波的變化，很適合在長距離進行傳感監(jiān)測。2021年深圳大學滕飛提出了雙sagnac系統(tǒng)，并提出“譜峰比”的定位計算方法。有效解決了傳統(tǒng)sagnac型分布式光纖存在的偏振率落、多點定位及多參數檢測等問題[10]。2019年新疆大學于發(fā)碩對入侵信號進行特征提取，構建SVM和極限學習機（extremelearningmachine，ELM）進行識別，提升了對不同入侵信號識別的穩(wěn)定性[11]。在聲傳感系統(tǒng)的實際應用中，現主要以Sagnac型聲傳感系統(tǒng)為主，因為其搭建整體系統(tǒng)成本低，效果也足夠優(yōu)異。而基于OFDR的聲傳感系統(tǒng)雖然具有高精度的優(yōu)點，但是搭建一個OFDR系統(tǒng)的造價要多倍于Sagnac系統(tǒng)?？傮w上現在基于分布式光纖傳感研究方向是更加準確、更加全面地獲取振動發(fā)生的信息，同時希望從得到更多的信息中準確地確定事件的類型。并且把時間類型的分類交給了機器判斷，提高識別效率。其趨勢是將分布式光纖傳感系統(tǒng)變?yōu)橹悄芊植际焦饫w傳感系統(tǒng)。參考文獻[1]于留波,趙湛,丁國杰,等.壓電式微傳聲器的設計與測量方法的匹配[J].微納電子技術,2010,47(09):560-563+586.[2]張鵬飛,王任鑫,李照東,等.基于熱粘性聲學的電容式聲壓水聽器[J].微納電子技術,2020,57(07):532-540.[3]劉靜,李淵驥,馮晉霞,等.用于光聲成像的高靈敏度光纖法珀腔傳感器[J].量子光學學報,2021,27(02):123-129.[4]FroggattM,MooreJ.High-spatial-resolutiondistributedstrainmeasurementinopticalfiberwithRayleighscatter[J].AppliedOptics,1998,37(10):1735-1740.[5]ZhouDP,QinZG,LiWH,etal.Distributedvibrationsensingwithtime-resolvedopticalfrequency-domainreflectometry[J].OpticsExpress,2012,20(12):13138-13145.[6]WangS,FanXY,LiuQW,etal.Distributedfiber-opticvibrationsensingbasedonphaseextractionfromtime-gateddigitalOFDR[J].OpticsExpress,2015,23(26):33301-33309.[7]HeZY,LiuQW.OpticalFiberDistributedAcousticSensors:AReview[J].JournalofLightwaveTechnology,2021,39(12):3671-3686.[8]錢先洋.數字圖像處理技術在布里淵光時域分析儀中的應用[D].電子科技大學,2017.[9]LiuQW,FanXY,HeZY.Time-gateddigitalopticalfrequencydomainreflectometrywith1.6-mspatialresolutionoverentire110-kmrange[J].OpticsExpress，2015,23(20):25988-25995.[10]滕飛.基于雙Sagnac結構分布式光纖擾動傳感系統(tǒng)及其定位技術研究[D].深圳大學,2020.[11]于發(fā)碩.分布式Sagnac光纖傳感系統(tǒng)的振動信號模式識別研究[D].新疆大學,2019.[12]王杰,賈新鴻,饒云江,等.基于雙向拉曼放大的相位敏感光時域反射儀[J].物理學報,2013,62(04):224-228.[13]李軍.高空間分辨率ROTDR測溫主機設計與實踐[J].煤礦機械,2017,38(11):1-4.[14]范海軍,李永倩,張立欣