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一、前言

傳感技術(shù)是指能夠感知和檢測某一形態(tài)的信息、并將之轉(zhuǎn)換為另一形態(tài)信息的技術(shù)。從本質(zhì)上來講,傳感技術(shù)是一種測量手段，利用信號與信號之間明確的對應關(guān)系，以一定精度進行信號的傳輸、轉(zhuǎn)換及處理，從而滿足系統(tǒng)信息傳輸、存儲、顯示、記錄及控制等要求。

近幾十年來，隨著半導體集成技術(shù)、信息處理技術(shù)、光纖通信技術(shù)及新材料技術(shù)的突飛猛進，光纖傳感技術(shù)也得到迅速發(fā)展起來的新型傳感技術(shù)之一，它以光波為載體、光纖為媒質(zhì)感知和傳輸外界被測量信號。分布式光纖傳感技術(shù)是利用光在介質(zhì)中的物理現(xiàn)象,經(jīng)反射或散熱后與被測量形成一定關(guān)聯(lián)關(guān)系，得到被測物理溫度、應變、振動等變化量，進而實現(xiàn)多種物理量的測量，比如可實現(xiàn)是對管線安全監(jiān)測，包括管道泄漏監(jiān)測、漏損滲漏監(jiān)測、管道沉降監(jiān)測、PCCP斷絲檢測，對光纜的狀態(tài)監(jiān)測、故障定位，輸電線路覆冰、強風、舞動等災害的預警具有重要作用。

二、優(yōu)勢

     與常規(guī)傳感器相比，分布式光纖傳感技術(shù)使用的光纖傳感器包括光纖光柵傳感器，具有測量靈敏度高、抗電磁干擾、抗輻射、耐高壓、耐腐蝕、體積小、重量輕、適應惡劣環(huán)境等諸多優(yōu)點，并且光纖元件本身既是探測元件又是傳輸元件，可以在光纖干線上連接許多光纖傳感單元組成大范圍的遙感系統(tǒng)，進行分布式監(jiān)測與測量，利于智能化、集成化發(fā)展。在大型結(jié)構(gòu)健康檢測、航空航天、環(huán)境能源等眾多領域均有非常廣闊的應用前景。優(yōu)勢具體體現(xiàn)：

(1)高靈敏度；

(2)輕細柔韌便于安裝埋設；

(3)電絕緣性及化學穩(wěn)定性。光纖本身是一種高絕緣、化學性能穩(wěn)定的物質(zhì)，適用于電力系統(tǒng)及化學系統(tǒng)中需要高壓隔離和易燃易爆等惡劣的環(huán)境中；

(4)良好的安全性。光纖傳感器是電無源的敏感元件，故應用于測量中時，不存在漏電及電擊等安全隱患；

(5)抗電磁干擾。一般情況下光波頻率比電磁輻射頻率高,因此光在光纖中傳播不會受到電磁噪聲的影響；

(6)可分布式測量。一根光纖可以實現(xiàn)長距離連續(xù)測控，能準確測出任一點上的應變、損傷、振動和溫度等信息，并由此形成具備很大范圍內(nèi)的監(jiān)測區(qū)域，提升對環(huán)境的檢測水平；

(7)使用壽命長。光纖的主要材料是石英玻璃，外裹高分子材料的包層，這使得它具有相對于金屬傳感器更大的耐久性；

(8)傳輸容量大。以光纖為母線，用傳輸大容量的光纖代替笨重的多芯水下電纜采集收納各感知點的信息，并且通過復用技術(shù)，來實現(xiàn)對分布式的光纖傳感器監(jiān)測。

三、分類

    分布式光纖傳感技術(shù)根據(jù)傳感光類型不同可分為散射光傳感和前向光傳感（基于前向光干涉的光纖傳感技術(shù)工程上主要用于振動與聲音的檢測）兩類。其中，根據(jù)散射光傳感原理又分為三類：(1)基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)-主要用于檢測振動與聲音信號；(2)基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術(shù)-主要用于溫度的測量；(3)基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)-主要用于應變與溫度的雙參數(shù)測量。

四、解析

（1）、基于瑞利散射的分布式光纖聲波振動傳感技術(shù)（distributed optical fiber acoustic sensing，DAS）。

它是利用相干瑞利散射光的相位而非光強來探測音頻范圍內(nèi)的聲音或振動等信號，不僅可以利用相位幅值大小來提供聲音或振動事件強度信息，還利用線性定量測量值來實現(xiàn)對聲音或振動事件相位和頻率信息的獲取。DAS可以認為是一個移動干涉式聲波傳感器在傳感光纖探測外界信號，當聲音或振動引起該位置干涉光相位的線性變化，通過提取該位置不同時刻的干涉信號并解調(diào)，就可實現(xiàn)外界物理量的定量測量。

分布式聲波傳感或者語音傳感采用沿軸向連續(xù)后向散射增強的微結(jié)構(gòu)光纖，基于光相干探測的微結(jié)構(gòu)光時域反射傳感技術(shù)，能夠連續(xù)記錄長距離光纖沿線的聲波信號傳遞和聲場空間分布。利用該原理ZUI小可探測應變可達亞納應變，響應頻帶覆蓋0-100khz聲音，可應用于地震波、微振動等的分布式測量，在資源勘探、地震監(jiān)測、管道安全、管線泄漏、周界安全及重大工程結(jié)構(gòu)健康等領域中廣泛應用（運用場景可參考http://m.ftnvr.cn/article/26.html。），光纖語音還原距離達到50km，振動傳感距離可以到100km。

（2）、基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術(shù)（Distributed Temperature Sensing，DTS）.

工作原理：瑞利散射的光強對光纖的損耗敏感性極為不穩(wěn)定，如果長期使用瑞利散射光作為測溫系統(tǒng)的參考信號，勢必將導致光纖的損耗特性發(fā)生不確定性的變化，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，有導致系統(tǒng)無法運行的危險，因此在系統(tǒng)參考信號的選擇時選取對溫度變化ZUI大的散射，即選取拉曼散射。

它是由于光纖分子的熱振動，會產(chǎn)生一個比光源波長長的光——斯托克斯 （Stokes）光和一個比光源波長短的光——反斯托克斯（Anti-Stokes）光。光纖受外部溫度的調(diào)制使光纖中的反斯托克斯（Anti-Stokes）光強發(fā)生變化，Anti-Stokes與Stokes的比值提供了溫度的JUE DUI指示，利用這一原理實現(xiàn)對沿光纖溫度場的分布式測量，結(jié)合高品質(zhì)的脈沖光源和高速的信號采集與處理技術(shù)，就可以得到沿光纖所有點的準確溫度值。其原理可參考http://m.ftnvr.cn/article/20.html.

（3）、基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)（Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry，BOTDR）。

工作原理：基于受激布里淵散射效應，受激布里淵散射可以經(jīng)典描述為斯托克斯光、泵浦光、聲波的非線性相互作用，泵浦光在光纖中傳輸時，由于電致伸縮效應，產(chǎn)生聲波，聲波反過來調(diào)制光纖的折射率，相當于隨聲波移動的調(diào)制光柵，在光柵的調(diào)制作用下，泵浦光由于多普勒效應，頻率下移生成斯托克斯光。在量子力學中，受激布里淵散射效應又可以看成是一個泵浦光子的湮滅，同時產(chǎn)生一個聲學聲子和斯托克斯光子的過程。

解調(diào)發(fā)出泵浦光和探測光（斯托克斯光）兩路光，分別從光纖的兩端注入傳感光纖中。當兩路光的頻率差落在布里淵光譜內(nèi)，光纖中產(chǎn)生受激布里淵效應，能量從泵浦光向探測光發(fā)生轉(zhuǎn)移，使探測光的受到增益，背向散射的探測光的時域分布反映出光纖各位置點所受布里淵增益的情況，測得光纖各點的布里淵頻移值，即可由測得光纖各點所受應變和溫度值。其它原理及運用可參考http://m.ftnvr.cn/article/24.html。

BOTDR技術(shù)同時應用于溫度與應變傳感領域，在分布式溫度應變測量中，空間分辨率可達2m，傳感精度ZUI高可達±1℃\±20με，監(jiān)測距離可達200km（環(huán)路）。這種方法可用于光纖復合架空地線（OPGW）和全介質(zhì)自承式（ADSS）光纜監(jiān)測、建筑變形監(jiān)測、地質(zhì)沉降監(jiān)測、橋梁變形監(jiān)測、隧道變形監(jiān)測等。

五、總結(jié)

     近年來, 光纖傳感技術(shù)在電力工業(yè)、石油工業(yè)、新能源、安防監(jiān)控、復合材料、化工、醫(yī)療、智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)、智能移動終端等領域受到越來越多地重視和應用，分布式光纖傳感技術(shù)解決方案市場規(guī)模也將持續(xù)保持增長的態(tài)勢。隨著分布式光纖傳感系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展和市場需求的不斷增加，光纖傳感器未來將會朝著更加智能化、實用化、多用途、新型化、低成本的趨勢發(fā)展，分布式光纖傳感系統(tǒng)技術(shù)是迅猛發(fā)展起來的技術(shù)之一，它與通信技術(shù)、計算機技術(shù)構(gòu)成信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。生物醫(yī)學、水下應用、軌道交通、土木工程、智能電網(wǎng)、安全應急、油氣資源、環(huán)境監(jiān)測被稱為八大主要應用領域。

    其光纖技術(shù)涵蓋了微納結(jié)構(gòu)光纖傳感器、光纖傳感器原理及器件、新型光纖及應用、光纖光柵傳感器、分布式光纖傳感器、光纖生物、化學和醫(yī)學傳感器，水下技術(shù)及應用、軌道交通、土木工程基礎設施監(jiān)測、智能電網(wǎng)、激光/光纖傳感器安全應急、油氣資源領域、資源環(huán)境監(jiān)測等主要專題。