分布式光纖傳感技術發展

近年來, 光纖傳感技術迅速發展，受到人們越來越多的關注，正逐步成為繼光纖通信產業發展之后又一大光纖應用技術產業。其中，分布式光纖傳感是目前國內外研究的熱點之一。

分布式光纖傳感測量是利用光纖的一維空間連續特性進行測量的技術。光纖既作傳感元件，又作傳輸元件，可以在整個光纖長度上對沿光纖分布的環境參數進行連續測量，同時獲得被測量的空間分布狀態和隨時間變化的信息。 分布式光纖傳感技術主要有：基于光纖拉曼散射或布里淵散射的光時域反射及頻域反射技術（R/B-OTDR/OFDR）、基于光纖瑞利散射的偏振光時域反射技術（P-OTDR）、長距離光干涉技術以及準分布式光纖布拉格光柵復用技術等。

分布式光纖傳感技術原理

基于后向散射的分布式光纖傳感技術

當光波在光纖中傳輸時，會產生后向散射光，包括瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射。檢測由光纖沿線各點產生的后向散射，通過這些后向散射光與被測量（如溫度、應力、振動等）的關系，可以實現分布式光纖傳感基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感。

測量光纖中的反斯托克斯喇曼反射信號可以實現分布式溫度傳感。從 20 世紀 80 年代開始，國內外對反斯托克斯拉曼散射信號的光時域測量技術進行了大量的研究。

利用光纖背向拉曼散射的溫度效應，光纖所處空間各點的溫度場調制了光纖中反斯托克斯背向拉曼散射光的強度，利用光纖的光時域反射技術（OTDR）檢測對所測溫度點定位。這種技術測量原理簡單，造價相對低廉，目前已經能夠實現 10 km 以上的測量距離，并得到一定程度的應用。但是它需要高功率、短脈沖的光源和高速信號放大采集器件，其測溫精度和空間分辨率受到器件性能和造價的限制。

近年來光頻域反射技術 （OFDR） 也得到較快發展。OFDR 技術，采用功率調制的連續激光做光源，因此其后向拉曼散射功率比同樣入射條件下的 OTDR技術高近 2000 倍，信號雖然高速調制，但是頻帶窄，容易通過濾波除去噪聲，能夠大大提高傳感信號的信噪比，在空間分辨率、檢測精度和實時性方面具有更大的優勢。

基于布里淵散射的分布式光纖溫度/應力傳感

用窄線寬連續激光對單模光纖進行抽運時，布里淵散射是一種主要的非線性效應。布里淵散射的散射性能可以用布里淵散射頻移大小來描述，其大小與介質的聲子速率有關，而該速率依賴于溫度和應變。通過光譜分析獲得溫度或應力信息，并采用脈沖光對參量場分布進行定位，即可實現分布式光纖溫度和應力傳感。

基于受激布里淵散射的分布式光纖傳感技術對于溫度、應力等單一分布參數的測量有很高的精度和空間分辨率，是近年來發展起來的一種最具潛力和突破性的技術。它一般采用抽運－探測（Pump-Probe）結構,稱為布里淵光學時域分析（BOTDA）。目前，基于受激布里淵散射的分布式光纖傳感技術主要包括基于脈沖激光抽運的 BOTDA、基于相關連續波的 BOTDA 以及基于暗脈沖激光抽運的 BOTDA。

基于偏振光時域反射的分布式傳感

偏振光時域反射(POTDR)傳感是通過檢測光纖中偏振態變化來達到分布式光纖傳感目的的一種新型傳感技術。POTDR 技術是在 OTDR 技術的基礎上發展起來的, 其工作原理為：基于待測單模光纖中的后向瑞利散射光包含著偏振態沿光纖變化的附加信息。將線偏振光耦合進光纖, 光脈沖在光纖中傳輸時發生瑞利散射, 散射過程中光的偏振態隨外界參量對纖的作用而變化，同時光的偏振性是位置的函數,因此探測后向散射光的偏振特性, 即可得知光纖中偏振特性的時間分布及空間分布，從而獲得被測量的場 分布分布式光纖傳感技術具有極優異的測量精度、可靠性和動態測量特性，而且本質安全，易于工程鋪設，因此在民用工程、航空航天、電力、石油化工、醫療等領域中都有著廣泛的應用。

民用工程結構中的應用

分布式光纖傳感技術廣泛應用于民用工程結構如橋梁等建筑的安全檢測、巖石變形測量、道路和場地測量以及周界安防監控中，可為監測交通工具的速度、載重及種類提供很重要的數據。這種傳感器的測量精度可以達到幾個微應變級，具有很好的可靠性，可實現動態測量，采用分布式埋入還可以實現對整個建筑物的健康狀況監測，從而防止工程及交通事故的發生。

航空航天領域中的應用

在航空航天領域，飛行安全是人們十分關注的一個方面。光纖傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高等優點。分布式光纖傳感技術早在 1988 年就成功地在航空航天領域中用于無損檢測。將光纖傳感器埋入飛行器或者發射塔結構中，構成分布式智能傳感網絡，可以對飛行器及發射塔的內部機械性能及外部環境進行實時監測。波音公司在這方面進行了許多研究。目前可以使用分布式光纖傳感技術實現飛機機翼、羽翼、穩定軸、支撐桿等處應變及位移監測，并且還有電機、電路等連接部位的運行溫度實時在線測量。

船舶工業中的應用

光纖傳感技術在船舶工業中也有著廣泛應用，如船體關鍵位置的應變監測、損傷評估和超負荷條件下的早期報警。船舶的結構缺陷常常影響其安全性能，基于分布式光纖傳感技術的大型結構健康監測系統可以實時監測船體的健康狀態，從而預防事故的發生。將光纖傳感技術大規模用于船舶、潛艇損傷的實時檢測。

電力工業中的應用

電網規模迅速擴大和電壓等級的不斷提高，對電力設備的可靠性和安全運行提出了更高要求，而高壓檢測技術卻跟不上形勢的發展，常規檢測設備已不能滿足當前的需要。目前分布式光纖傳感器是較理想的一種檢測技術，在高壓電力系統的安全監控中有著重要應用。比如可以用于電纜溫度和電纜導體載流量的監控，利用分布式光纖傳感可以實時監測長距離輸電線路表面的溫度，計算導體溫度許用負載和載流量，進而為輸電線路的故障監測和負荷管理提供全面而有效的解決方案，保障輸電線路的安全，可以提高資產利用率，發現潛在故障，實現預防性維護。

石油化工業中的應用

泄漏是輸油管道運行的主要故障，往往也會由此造成巨大損失。因而，輸油管道泄漏檢測是石油行業亟待解決的重要問題。利用鋪設在管道附件的傳感器，拾取管道由于泄漏、附近機械施工和人為破壞等事件產生的壓力和振動信號，進一步可以通過傳感相關技術檢測管道泄漏并進行定位。分布式光纖傳感技術由于能夠獲得被測物理場沿空間和時間上的連續分布信息，非常適合用于長距離管道泄漏檢測。另外，利用分布式光纖傳感技術還可實時監測高壓管道應變和彎曲狀況。

醫學中的應用

光纖傳感器柔軟、小巧、自由度大、絕緣、不受射頻和微波干擾、測量精度高，在醫學中的應用具有明顯優勢，例如對人體血管等的探測，人體外科校正和超聲波場測量等。光纖內窺鏡使得檢查人體的各個部位幾乎都是可行的，且操作中不會引起病人的痛苦與不適，其中光纖血管鏡已應用于人類的心導管檢查中。光纖內窺鏡不僅用于診斷，目前也正進入治療領域中，例如息肉切除手術等。微波加溫治療技術是當前治療的有效途徑，但微波加溫治療技術的溫度難以把握，而光纖溫度傳感器恰可以對微波加溫治療技術的有效溫度進行監測。光纖溫度傳感器在癌癥治療方面的研究和應用正日益興起。