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(zhǎng)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(chǎng)對(duì)被困人員聲音信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(guó)的主要能源。據(jù)安監(jiān)總局2015年統(tǒng)計(jì)，全國(guó)有11000個(gè)煤礦、580萬名礦工。如果按三班倒的話，每時(shí)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(shì)不容樂觀。
現(xiàn)有的煤礦井下安全監(jiān)測(cè)及通信系統(tǒng)在災(zāi)害發(fā)生時(shí)依托的備用電池供電僅能維持?jǐn)?shù)小時(shí)，甚至更短，某些情況下還會(huì)直接斷電，造成煤礦井下災(zāi)難救援時(shí)信息阻斷。近年來，基于拉曼散射的分布式光纖測(cè)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(cè)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(cè)尚未問世。
長(zhǎng)距離光纖拾音器
長(zhǎng)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(jiǎn)單，由激光源、耦合器、拾音探頭和光纖傳感線路組成。對(duì)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(hào)。
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(shí)，對(duì)被困人員的呼叫、敲擊、對(duì)話等聲音信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(guó)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(guó)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(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)，但目前市場(chǎng)上還沒有見到相應(yīng)的產(chǎn)品，相關(guān)研究在國(guó)內(nèi)外的報(bào)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(cè)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(hào)光，緩變信號(hào)亦可檢測(cè)，但對(duì)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(hào)具有非常大的噪聲。
另外，由于外界振動(dòng)會(huì)隨機(jī)改變光纖的偏振狀態(tài)，會(huì)造成干涉信號(hào)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(hào)光經(jīng)過完全相同的傳播路徑，因此對(duì)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(duì)光源的線寬要求。其具有低成本、易集成、信號(hào)光功率強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在長(zhǎng)距離的傳感領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)
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(zhǎng)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(jì)（工作原理見圖2），實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離全向分布式光纖聲音獲取，該儀器的優(yōu)勢(shì)在于：
▼測(cè)量距離：60 km
▼測(cè)量對(duì)象：100 Hz-10 kHz聲音信號(hào)
▼指向性：360°全向型
▼光源：混沌激光
圖1長(zhǎng)距離光纖拾音器
圖2 長(zhǎng)距離光纖拾音器原理圖
圖2中，混沌光源發(fā)出中心波長(zhǎng)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(cè)端，傳感光纖總長(zhǎng)為60 km。
光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，電信號(hào)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(shí)還原，而另一路則由現(xiàn)場(chǎng)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(cè)信號(hào)實(shí)時(shí)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(duì)所研制的長(zhǎng)距離光纖拾音器進(jìn)行性能測(cè)試的結(jié)果，主要包括對(duì)各頻率單音信號(hào)的實(shí)測(cè)結(jié)果、頻率響應(yīng)結(jié)果及指向性測(cè)試結(jié)果。其中，待測(cè)音頻信號(hào)是由音頻編輯軟件產(chǎn)生的單音音頻信號(hào)及由擴(kuò)音器播放的聲音信號(hào)。
圖3（1） 500 Hz單音下所測(cè)信號(hào)時(shí)域圖及頻域圖
（a）時(shí)域信號(hào)（b）頻域信號(hào)
圖3（2） 5 kHz單音下所測(cè)信號(hào)時(shí)域圖及頻域圖
（a）時(shí)域信號(hào)（b）頻域信號(hào)
長(zhǎng)距離光纖拾音器頻率響應(yīng)測(cè)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(hào)下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)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(cè)量結(jié)果如圖4所示，可以看到其聲音信號(hào)檢測(cè)頻率范圍在100 Hz~10 kHz之間。圖5的指向性測(cè)試結(jié)果表明長(zhǎng)距離光纖拾音器為360°全向型。
圖4 頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果圖
圖5 指向性測(cè)試結(jié)果圖
綜上所述，面向礦井災(zāi)難救援的長(zhǎng)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(duì)被困人員聲音信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(zhǎng)距離光纖拾音器，對(duì)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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