分布式光纖傳感器的研究進展*

葉雯

（公安海警學院，浙江 寧波 315801）

分布式光纖傳感器的研究進展*

葉雯

（公安海警學院，浙江 寧波 315801）

闡述了分布式光纖傳感器的相關研究進展，在分析該光纖傳感技術工作原理的基礎上，介紹了幾種常用的分布式光纖傳感器，并闡述了目前該技術在各個行業的廣泛應用，最后預測了該領域的未來發展趨勢。

分布式光纖傳感器 瑞利散射 布里淵散射 拉曼散射

1 引言

光纖傳感器具有抗電磁干擾、耐腐蝕、靈敏度高、質量輕、體積小、可遠程監控等特點，目前已經成為傳感技術最為活躍的發展方向之一，在軍事、醫療、石油化工、核工業等領域深受人們的關注。而其中的分布式光纖傳感器不僅靈敏度和精確度高，又因其具有實時、可多點測量的探測特性，在各行各業中得到了廣泛的應用。

2 分布式光纖傳感器中的散射原理

分布式光纖傳感器將光纖既作為傳感介質，又作為傳輸介質，利用光在光纖中的散射原理，對沿光纖分布的環境參數進行連續測量，獲得被測量參數（溫度、應力、振動等）隨空間和時間變化的信息，因此光纖中的散射現象勢必成為研究分布式光纖傳感器工作原理的核心話題。

光纖中的散射現象主要有瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射三種類型。

（1）瑞利散射是光纖中最常見的一種散射，是指入射光進入光纖后，由于和光纖中粒子發生彈性作用，產生的后向散射現象，該散射為彈性散射，散射光波長等于入射光波長，沒有頻率的變化。發生瑞利散射的條件是入射光波長遠大于光纖中粒子的大小。

（2）布里淵散射指的是入射光與光纖中聲子相互作用的非彈性散射。布里淵散射按照其激發機制的不同可以分為自發布里淵散射和受激布里淵散射。自發布里淵散射是指光纖中的粒子在常溫下，由于粒子熱運動產生了自發聲波，該聲波的振動使得光纖上的折射率被周期性地調制，其作用相當于“光柵”，當泵浦光射入光纖中時，由于受到“光柵”的“衍射”作用，而產生自發布里淵散射光。和自發布里淵散射相比，受激布里淵散射產生調制聲波的機制不同，當入射進入光纖中的泵浦光超過一閾值時，光纖內會產生電致伸縮效應，該效應可以使光纖產生周期性形變或彈性振動，從而對光纖折射率產生了周期性的調制，進而產生了散射現象。

（3）拉曼散射又稱拉曼效應，是入射光進入光纖后與光纖中的粒子相互作用，引起頻率變化而產生的非彈性散射現象。入射光或吸收光纖中的光學聲子，轉換為頻率較高的散射光；或發射聲子，轉換為頻率較低的散射光。

3 分布式光纖傳感器的分類

分布式光纖傳感器按其散射類型的不同可以分為以下幾類，下面對其做一些詳細的介紹。

3.1 基于瑞利散射的分布式光纖傳感器

上文中講述了光纖中產生的三種主要散射現象，其中最常見且散射光強度最強的散射過程是瑞利散射。當激光在光纖中傳輸時，由于光纖中折射率分布的不均勻，產生了瑞利散射[1]，利用光纖中光的瑞利散射現象可以對空間分布系統的溫度和應力的進行測量，其主要工作原理為：當窄帶脈沖光進入光纖中傳輸產生瑞利散射，假設入射光從進入光纖，經反向散射回到光纖入射端的總的時間為t，那么光脈沖在光纖中所走過的總的路程為：S=vt。假設該散射光距離入射端為L，則2L=vt。v為光在光纖中的傳播速度，且v=c/n，c為真空中的光速，n為光纖的折射率。這樣選在不同的時刻t，就可以得到離入射端不同距離L處的反向瑞利散射光，即光時域反射?；诖嗽砹_杰于1980年首次提出了基于光纖光時域反射（OTDR）原理來實現對空間分布系統的溫度的測量[2]。隨后有人提出基于光頻域反射技術（OFDR）的分布式光纖傳感器[3]以及光頻域反射技術（OFDR）和瑞利散射相結合[4]來測量光纖微彎損耗的傳感技術。

3.2 基于拉曼背向散射的分布式光纖傳感器

拉曼散射是入射光與光纖粒子發生的非彈性散射。拉曼散射光子分為斯托克斯光子和反斯托克斯光子，而在光纖L處的斯托克散射光子數和反斯托克斯散射光子數與絕對溫度T有關，因此用斯托克斯散射的OTDR曲線解調反斯托克斯散射的OTDR曲線就可以得到局域處的溫度T，這便是基于拉曼散射的光時域分布式光纖溫度傳感器的工作原理。同樣，也可以利用頻譜圖去得到系統的溫度變化，即為拉曼光頻率反射技術[5]，同樣可以進行溫度的測量。

3.3 基于布里淵散射的分布式光纖傳感器

在布里淵散射中，由于光纖中散射光波的頻率與溫度、應力等外界因素有關，因此通過檢測布里淵散射光的頻率就可以間接知道外界環境的溫度和應力的情況，這個便是基于光纖光時域反射的布里淵反射計的分布式光纖傳感器的工作原理[6]。另外，利用兩束泵浦光在光纖中反向傳播，有人又研發出基于光纖光時域的布里淵反射分析技術的分布式光纖傳感器[7]。

基于分布式光纖傳感器的精度和準確度的不斷提高使得它們在各個行業中的應用越來越廣泛，下面將介紹一下分布式光纖傳感器的主要應用領域。

4 分布式光纖傳感器的應用

分布式光纖傳感器由于其具有靈敏度和精確度高、實時、可多點測量等優于其他光纖激光器的特點，使得它被廣泛地應用于國民經濟各個領域。在陸地上，分布式光纖傳感技術可以應用在邊坡測量[8]、地鐵隧道的振動監測[9]、橋梁和路面的健康監測[10]、數字油田溫度測量[11]、周界邊境安防監測[12]、電纜隧道安全擾動監測[13]等方面。在水利工程中，由于水工建筑常年受風雨侵蝕，溫度變化，河流沖刷，地質變化的影響，產生位移、滲透、裂縫等，分布式光纖傳感技術在智能大壩等水利工程中的作用功不可沒[14]，而在海底電纜[15]和海底管道[16]領域，分布式光纖傳感器同樣可以通過測量溫度和應變的情況對其進行實時監測。在飛行試驗中，利用由大量遍布試驗機的各類分布式光纖傳感器，通過機載測試，獲取系統試驗數據[17]。

5 分布式光纖傳感器的未來發展趨勢及展望

隨著計算機物聯網技術的不斷發展，分布式光纖傳感的產業化進程逐步加快，未來分布式光纖傳感技術的發展方向及研究重點主要為以下三個方面，下面對此做一些詳細的闡述。

5.1 分布式光纖傳感器的技術研究

越來越多的領域對分布式光纖傳感技術的系統性能提出了更高的要求，如何實現更大的檢測范圍、獲得更好的響應帶寬、取得更為精確的定位等已經成為業界迫切需要解決的問題。

高速鐵路、智能大壩、海底電纜、油氣管線等大型基礎設施通常需要幾百、甚至幾千公里的監測范圍，這無疑對分布式光纖傳感系統的探測距離提出了很高的要求。然而，光在光纖中傳播的時候，由于光的損耗、色散等現象，脈沖光功率會隨著傳感距離的增加而不斷衰減，信噪比也會隨之下降，當光功率下降到一定程度后，就很難進行信息的采集。由此可知，分布式光纖傳感系統的檢測范圍是受到入射脈沖光功率的限制的。然后，又由于脈沖光功率達到一定范圍的時候會產生非線性效應，影響光信號的傳輸，使得探測光功率不宜過高。解決這一問題，目前最有效的辦法便是采用分布式放大技術，包括光纖拉曼放大（FRA）和光纖布里淵放大（FBA），可以使分布式光纖傳感的距離達到上百公里。電子科技大學已經實現了用一階拉曼放大技術實現了距離可達200 km的BOTDA傳輸系統[18]。此外，還有人提出采用多波長光源來實現更長距離的監測范圍[19]，為這一技術難點的解決開啟了一個新的研究方向。

由上可知，分布式光纖傳感器的傳感距離受到光功率的限制，而其響應帶寬又受到傳感范圍的限制，傳感范圍越大，響應帶寬越小。這是因為：探測脈沖的時間間隔不能小于光在光纖中的往返時間，因此，脈沖重復頻率受限。然而，大型基礎設施不僅對系統的傳感范圍有很高的要求，對其響應帶寬也提出了較高的要求，如電力電纜的局部放電檢測、高壓油氣管線的泄露檢測等，都要求千赫至兆赫的系統響應帶寬，這使得人們不得不對分布式光纖傳感器的響應帶寬提出新的挑戰。上海光機所已經著手該領域的研究工作，通過在相鄰探測脈沖之間插入多個頻率調制，實現了10 km范圍里0.5 MHz的響應帶寬[20]。

對于分布式光纖傳感器的另外一個技術參數——空間分辨率而言，其大小直接決定著系統的精確度?？臻g分辨率是由系統探測脈沖光的脈沖時間尺度決定的，脈沖寬度越短，空間分辨率就越好，但系統的信噪比會越差，傳感范圍也就會越小。

近年來，分布式空間傳感技術的分辨率均是采用減小脈沖寬度的辦法，由近百米優化至幾米。最近有人利用增大頻率寬度來壓縮脈沖的方法，首次將OTDR系統的分辨率改善到亞米量級[21]，證實了用脈沖壓縮技術來提高分布式光纖傳感器空間分辨率的可行性。

5.2 分布式光纖傳感器的綜合產業發展

分布式光纖傳感器的檢測范圍、傳感系統的響應帶寬及空間分辨率等問題，都將成為分布式光纖傳感技術以后技術發展方向上的研究重點。而分布式光纖傳感器已經慢慢從傳統的單一傳感技術向綜合監控系統技術的方向發展，具有一定的實時遠程監控報警功能。這就決定了分布式光纖傳感器以后對其技術發展具有多元性的要求，在發展傳統光發射和濾波放大技術的基礎上，對光接受與信號放大處理技術、干涉信號處理與解析技術、光纖傳感系統與視頻監控同步鏈接技術、光纖傳感與視頻監控系統采集信號的有線和無線傳輸技術都具有一定的要求。

而這些技術已經不僅僅局限于光纖傳感領域，對視頻監控、信號的有線和無線通信、信息處理等領域都有一定的涉及，因此分布式光纖傳感器未來的發展勢必要在其他很多領域發展的前提下進行，具有一定的綜合產業發展特征。

5.3 分布式光纖傳感器的行業應用前景

分布式光纖傳感系統的不斷發展，使得它在事件精確定位、隱蔽性、環境適應性等方面具有不可替代的優勢，因而在重要核心設施和區域安全監測中的應用越來越廣泛。

由前所述，可知分布式光纖傳感器在民用行業已經具有舉足輕重的作用，其中最具代表性的是關系國民經濟大動脈的高速鐵路行業。隨著鐵路“速、密、重”的快速發展，高鐵軌道交通運行安全對運用高科技技術手段提出了更高、更緊迫的要求，這無疑加快了分布式光纖傳感系統在高鐵安全監測方面應用的腳步[22]。

此外，分布式光纖傳感器在軍事領域方面的作用也越來越顯著。除了被海軍應用于海底定位分布式光纖水聽系統[23]之外，還被應用在陸地上的邊境遠程監測領域[24]。由此可見，分布式光纖傳感技術的應用領域也具有一定的可拓性。

6 結束語

由于分布式光纖傳感器具有抗電磁干擾、體積小、靈敏度高，尤其是具有實時、多點遠程監控的優點，使得它在國民經濟各行各業都得到了廣泛的應用。本文在分析分布式光纖傳感技術基本工作原理的基礎上，介紹了幾種常見的分布式光纖傳感器，并闡述了分布式光纖傳感技術的主要應用領域，最后展望了分布式光纖傳感技術的研究重點和發展趨勢。

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The Research Progress of Distributed Optical Fiber Sensor

YE Wen
(China Maritime Police Academy, Ningbo 315801, China)

The research progress related to distributed optical fiber sensor was expounded. Based on the principle of the optical fiber sensor technique, several kinds of the common distributed optical fiber sensor and the applications of the technique in different industries were introduced. Besides, the developmental trend of the field in the future was forecast.

distributed optical fiber sensor Rayleigh scattering Brillouin scattering Raman scattering

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.16.007

TP277

A

1006-1010(2017)16-0032-05

葉雯. 分布式光纖傳感器的研究進展[J]. 移動通信, 2017,41(16): 32-36.

公安海警學院科研發展基金項目（2015YYXMA01）

2017-08-03

責任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn

葉雯：浙江大學光學工程博士，現任公安海警學院講師，主要研究方向為光纖激光器、光纖傳感器、光纖通信等。