太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制出了長距離光纖拾音器，采用分布式光纖傳感技術(shù)，用于礦難現(xiàn)場對被困人員聲音信號進(jìn)行監(jiān)測，為應(yīng)急通訊提供新的方法和技術(shù)手段。“科品推薦”為您詳解。
煤炭是我國的主要能源。據(jù)安監(jiān)總局2015年統(tǒng)計，全國有11000個煤礦、580萬名礦工。如果按三班倒的話，每時每刻都有近200萬人在地下巷道里作業(yè)。然而，受煤礦開采條件的限制，井下安全形勢不容樂觀。
現(xiàn)有的煤礦井下安全監(jiān)測及通信系統(tǒng)在災(zāi)害發(fā)生時依托的備用電池供電僅能維持?jǐn)?shù)小時，甚至更短，某些情況下還會直接斷電，造成煤礦井下災(zāi)難救援時信息阻斷。近年來，基于拉曼散射的分布式光纖測溫技術(shù)已應(yīng)用于煤礦井下火災(zāi)監(jiān)控預(yù)警、電纜溫度監(jiān)測等，但利用分布式光纖傳感技術(shù)在煤礦井下進(jìn)行聲音檢測尚未問世。
長距離光纖拾音器
長距離光纖拾音器集傳感和傳輸于一體，是一種使用光纖既作為感知元件又作為傳輸介質(zhì)的新型聲音信息采集傳感裝置，其結(jié)構(gòu)簡單，由激光源、耦合器、拾音探頭和光纖傳感線路組成。對外界環(huán)境因素的抗干擾能力強(qiáng)，能夠拾取并還原聲音信號。
它屬于無源光纖拾音器。拾音部分為普通光纖，沒有任何電的轉(zhuǎn)換，具有防電磁干擾、抗腐蝕、防爆、本質(zhì)安全等優(yōu)點(diǎn)，可用于災(zāi)后復(fù)雜環(huán)境下，如礦井下發(fā)生瓦斯爆炸、洪水、供電故障、通風(fēng)故障等事故時，對被困人員的呼叫、敲擊、對話等聲音信號進(jìn)行監(jiān)測與定位。
技術(shù)原理
光纖拾音器的技術(shù)分基于光強(qiáng)度調(diào)制原理和基于干涉原理兩種。
當(dāng)前國際上較成熟的光纖拾音器技術(shù)均是基于光強(qiáng)度調(diào)制原理，如以色列的Optoacoustics公司、美國的Micro Optics Technologies公司的光纖拾音器產(chǎn)品，目前各項(xiàng)性能均已達(dá)到了實(shí)際使用的要求。
而基于薩格奈克干涉原理的光纖拾音器盡管從理論上來說具有靈敏度高、動態(tài)范圍大的特點(diǎn)，但目前市場上還沒有見到相應(yīng)的產(chǎn)品，相關(guān)研究在國內(nèi)外的報道較少。
基于激光干涉的分布式光纖聲傳感技術(shù)主要利用如下四種原理：馬赫-澤德爾干涉儀、邁克爾遜干涉儀、法布里-珀羅干涉儀和薩格奈克干涉儀。
法布里-珀羅干涉儀不易實(shí)現(xiàn)分布式測量，馬赫-澤德爾干涉儀和邁克爾遜干涉儀聲壓只調(diào)制信號光，緩變信號亦可檢測，但對光源要求高，且兩臂光纖不可能保持隨環(huán)境噪聲變化一致，因此干涉信號具有非常大的噪聲。
另外，由于外界振動會隨機(jī)改變光纖的偏振狀態(tài)，會造成干涉信號的大幅度衰減，形成“偏振衰落”現(xiàn)象。
薩格奈克干涉儀由于參與干涉的兩路信號光經(jīng)過完全相同的傳播路徑，因此對外界環(huán)境的隨機(jī)噪聲有極大的免疫性。
與使用馬赫-澤德爾干涉儀和邁克爾遜干涉儀相比，薩格奈克干涉儀能大大降低系統(tǒng)對光源的線寬要求。其具有低成本、易集成、信號光功率強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在長距離的傳感領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢。
技術(shù)優(yōu)勢
太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制出長距離光纖拾音器（產(chǎn)品實(shí)物見圖1），工作原理基于馬赫-澤德爾與薩格奈克干涉原理設(shè)計（工作原理見圖2），實(shí)現(xiàn)了長距離全向分布式光纖聲音獲取，該儀器的優(yōu)勢在于：
▼測量距離：60 km
▼測量對象：100 Hz-10 kHz聲音信號
▼指向性：360°全向型
▼光源：混沌激光
圖1長距離光纖拾音器
圖2 長距離光纖拾音器原理圖
圖2中，混沌光源發(fā)出中心波長為1550 nm的連續(xù)光，進(jìn)入馬赫-澤德爾與薩格奈克結(jié)合的干涉光路后返回探測端，傳感光纖總長為60 km。
光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，電信號再進(jìn)一步經(jīng)分壓電路分為兩路，其中一路輸入到音頻功率放大器實(shí)現(xiàn)語音實(shí)時還原，而另一路則由現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）進(jìn)行高速采集后通過高速數(shù)據(jù)傳輸接口將待測信號實(shí)時傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及界面顯示。
以下為對所研制的長距離光纖拾音器進(jìn)行性能測試的結(jié)果，主要包括對各頻率單音信號的實(shí)測結(jié)果、頻率響應(yīng)結(jié)果及指向性測試結(jié)果。其中，待測音頻信號是由音頻編輯軟件產(chǎn)生的單音音頻信號及由擴(kuò)音器播放的聲音信號。
圖3（1） 500 Hz單音下所測信號時域圖及頻域圖
（a）時域信號（b）頻域信號
圖3（2） 5 kHz單音下所測信號時域圖及頻域圖
（a）時域信號（b）頻域信號
長距離光纖拾音器頻率響應(yīng)測量結(jié)果如圖3所示，分別在500 Hz（圖3（1））和5 kHz（圖3（2））單音音頻信號下進(jìn)行測試，測量結(jié)果顯示所研制的光纖拾音器具有良好的頻率響應(yīng)特性。
頻率響應(yīng)測量結(jié)果如圖4所示，可以看到其聲音信號檢測頻率范圍在100 Hz~10 kHz之間。圖5的指向性測試結(jié)果表明長距離光纖拾音器為360°全向型。
圖4 頻率響應(yīng)測試結(jié)果圖
圖5 指向性測試結(jié)果圖
綜上所述，面向礦井災(zāi)難救援的長距離光纖拾音器，采用分布式光纖傳感技術(shù)，本質(zhì)安全，適用于強(qiáng)電磁干擾、潮濕等惡劣環(huán)境，且其布設(shè)形狀、大小可以多樣化，易于安裝操作，用于災(zāi)后復(fù)雜工作環(huán)境下，對被困人員聲音信號進(jìn)行監(jiān)測與定位，為礦井重大災(zāi)害被困人員的定位與救援過程中的應(yīng)急通訊提供新的方法和技術(shù)手段。
面向礦井災(zāi)難救援的長距離光纖拾音器，對于提升災(zāi)后救援效率，保障被困人員安全，推進(jìn)礦井現(xiàn)代化建設(shè)具有重要意義。
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