太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室研制出了长距离光纤拾音器，采用分布式光纤传感技术，用于矿难现场对被困人员声音信号进行监测，为应急通讯提供新的方法和技术手段。“科品推荐”为您详解。
煤炭是我国的主要能源。据安监总局2015年统计，全国有11000个煤矿、580万名矿工。如果按三班倒的话，每时每刻都有近200万人在地下巷道里作业。然而，受煤矿开采条件的限制，井下安全形势不容乐观。
现有的煤矿井下安全监测及通信系统在灾害发生时依托的备用电池供电仅能维持数小时，甚至更短，某些情况下还会直接断电，造成煤矿井下灾难救援时信息阻断。近年来，基于拉曼散射的分布式光纤测温技术已应用于煤矿井下火灾监控预警、电缆温度监测等，但利用分布式光纤传感技术在煤矿井下进行声音检测尚未问世。
长距离光纤拾音器
长距离光纤拾音器集传感和传输于一体，是一种使用光纤既作为感知元件又作为传输介质的新型声音信息采集传感装置，其结构简单，由激光源、耦合器、拾音探头和光纤传感线路组成。对外界环境因素的抗干扰能力强，能够拾取并还原声音信号。
它属于无源光纤拾音器。拾音部分为普通光纤，没有任何电的转换，具有防电磁干扰、抗腐蚀、防爆、本质安全等优点，可用于灾后复杂环境下，如矿井下发生瓦斯爆炸、洪水、供电故障、通风故障等事故时，对被困人员的呼叫、敲击、对话等声音信号进行监测与定位。
技术原理
光纤拾音器的技术分基于光强度调制原理和基于干涉原理两种。
当前国际上较成熟的光纤拾音器技术均是基于光强度调制原理，如以色列的Optoacoustics公司、美国的Micro Optics Technologies公司的光纤拾音器产品，目前各项性能均已达到了实际使用的要求。
而基于萨格奈克干涉原理的光纤拾音器尽管从理论上来说具有灵敏度高、动态范围大的特点，但目前市场上还没有见到相应的产品，相关研究在国内外的报道较少。
基于激光干涉的分布式光纤声传感技术主要利用如下四种原理：马赫-泽德尔干涉仪、迈克尔逊干涉仪、法布里-珀罗干涉仪和萨格奈克干涉仪。
法布里-珀罗干涉仪不易实现分布式测量，马赫-泽德尔干涉仪和迈克尔逊干涉仪声压只调制信号光，缓变信号亦可检测，但对光源要求高，且两臂光纤不可能保持随环境噪声变化一致，因此干涉信号具有非常大的噪声。
另外，由于外界振动会随机改变光纤的偏振状态，会造成干涉信号的大幅度衰减，形成“偏振衰落”现象。
萨格奈克干涉仪由于参与干涉的两路信号光经过完全相同的传播路径，因此对外界环境的随机噪声有极大的免疫性。
与使用马赫-泽德尔干涉仪和迈克尔逊干涉仪相比，萨格奈克干涉仪能大大降低系统对光源的线宽要求。其具有低成本、易集成、信号光功率强等优点，在长距离的传感领域具有显著优势。
技术优势
太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室研制出长距离光纤拾音器（产品实物见图1），工作原理基于马赫-泽德尔与萨格奈克干涉原理设计（工作原理见图2），实现了长距离全向分布式光纤声音获取，该仪器的优势在于：
▼测量距离：60 km
▼测量对象：100 Hz-10 kHz声音信号
▼指向性：360°全向型
▼光源：混沌激光
图1长距离光纤拾音器
图2 长距离光纤拾音器原理图
图2中，混沌光源发出中心波长为1550 nm的连续光，进入马赫-泽德尔与萨格奈克结合的干涉光路后返回探测端，传感光纤总长为60 km。
光电探测器进行光电转换后，电信号再进一步经分压电路分为两路，其中一路输入到音频功率放大器实现语音实时还原，而另一路则由现场可编程门阵列（FPGA）进行高速采集后通过高速数据传输接口将待测信号实时传输到上位机进行数据处理及界面显示。
以下为对所研制的长距离光纤拾音器进行性能测试的结果，主要包括对各频率单音信号的实测结果、频率响应结果及指向性测试结果。其中，待测音频信号是由音频编辑软件产生的单音音频信号及由扩音器播放的声音信号。
图3（1） 500 Hz单音下所测信号时域图及频域图
（a）时域信号（b）频域信号
图3（2） 5 kHz单音下所测信号时域图及频域图
（a）时域信号（b）频域信号
长距离光纤拾音器频率响应测量结果如图3所示，分别在500 Hz（图3（1））和5 kHz（图3（2））单音音频信号下进行测试，测量结果显示所研制的光纤拾音器具有良好的频率响应特性。
频率响应测量结果如图4所示，可以看到其声音信号检测频率范围在100 Hz~10 kHz之间。图5的指向性测试结果表明长距离光纤拾音器为360°全向型。
图4 频率响应测试结果图
图5 指向性测试结果图
综上所述，面向矿井灾难救援的长距离光纤拾音器，采用分布式光纤传感技术，本质安全，适用于强电磁干扰、潮湿等恶劣环境，且其布设形状、大小可以多样化，易于安装操作，用于灾后复杂工作环境下，对被困人员声音信号进行监测与定位，为矿井重大灾害被困人员的定位与救援过程中的应急通讯提供新的方法和技术手段。
面向矿井灾难救援的长距离光纤拾音器，对于提升灾后救援效率，保障被困人员安全，推进矿井现代化建设具有重要意义。
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