太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室研制出了長距離光纖拾音器，采用分布式光纖傳感技術，用于礦難現場對被困人員聲音信號進行監測，為應急通訊提供新的方法和技術手段。“科品推薦”為您詳解。
煤炭是我國的主要能源。據安監總局2015年統計，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。然而，受煤礦開采條件的限制，井下安全形勢不容樂觀。
現有的煤礦井下安全監測及通信系統在災害發生時依托的備用電池供電僅能維持數小時，甚至更短，某些情況下還會直接斷電，造成煤礦井下災難救援時信息阻斷。近年來，基于拉曼散射的分布式光纖測溫技術已應用于煤礦井下火災監控預警、電纜溫度監測等，但利用分布式光纖傳感技術在煤礦井下進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的新型聲音信息采集傳感裝置，其結構簡單，由激光源、耦合器、拾音探頭和光纖傳感線路組成。對外界環境因素的抗干擾能力強，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，沒有任何電的轉換，具有防電磁干擾、抗腐蝕、防爆、本質安全等優點，可用于災后復雜環境下，如礦井下發生瓦斯爆炸、洪水、供電故障、通風故障等事故時，對被困人員的呼叫、敲擊、對話等聲音信號進行監測與定位。
技術原理
光纖拾音器的技術分基于光強度調制原理和基于干涉原理兩種。
當前國際上較成熟的光纖拾音器技術均是基于光強度調制原理，如以色列的Optoacoustics公司、美國的Micro Optics Technologies公司的光纖拾音器產品，目前各項性能均已達到了實際使用的要求。
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、動態范圍大的特點，但目前市場上還沒有見到相應的產品，相關研究在國內外的報道較少。
基于激光干涉的分布式光纖聲傳感技術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-珀羅干涉儀不易實現分布式測量，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改變光纖的偏振狀態，會造成干涉信號的大幅度衰減，形成“偏振衰落”現象。
薩格奈克干涉儀由于參與干涉的兩路信號光經過完全相同的傳播路徑，因此對外界環境的隨機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對光源的線寬要求。其具有低成本、易集成、信號光功率強等優點，在長距離的傳感領域具有顯著優勢。
技術優勢
太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室研制出長距離光纖拾音器（產品實物見圖1），工作原理基于馬赫-澤德爾與薩格奈克干涉原理設計（工作原理見圖2），實現了長距離全向分布式光纖聲音獲取，該儀器的優勢在于：
▼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，混沌光源發出中心波長為1550 nm的連續光，進入馬赫-澤德爾與薩格奈克結合的干涉光路后返回探測端，傳感光纖總長為60 km。
光電探測器進行光電轉換后，電信號再進一步經分壓電路分為兩路，其中一路輸入到音頻功率放大器實現語音實時還原，而另一路則由現場可編程門陣列（FPGA）進行高速采集后通過高速數據傳輸接口將待測信號實時傳輸到上位機進行數據處理及界面顯示。
以下為對所研制的長距離光纖拾音器進行性能測試的結果，主要包括對各頻率單音信號的實測結果、頻率響應結果及指向性測試結果。其中，待測音頻信號是由音頻編輯軟件產生的單音音頻信號及由擴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測量結果如圖3所示，分別在500 Hz（圖3（1））和5 kHz（圖3（2））單音音頻信號下進行測試，測量結果顯示所研制的光纖拾音器具有良好的頻率響應特性。
頻率響應測量結果如圖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的指向性測試結果表明長距離光纖拾音器為360°全向型。
圖4 頻率響應測試結果圖
圖5 指向性測試結果圖
綜上所述，面向礦井災難救援的長距離光纖拾音器，采用分布式光纖傳感技術，本質安全，適用于強電磁干擾、潮濕等惡劣環境，且其布設形狀、大小可以多樣化，易于安裝操作，用于災后復雜工作環境下，對被困人員聲音信號進行監測與定位，為礦井重大災害被困人員的定位與救援過程中的應急通訊提供新的方法和技術手段。
面向礦井災難救援的長距離光纖拾音器，對于提升災后救援效率，保障被困人員安全，推進礦井現代化建設具有重要意義。
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