分布式光纖傳感技術(shù)發(fā)展

近年來(lái), 光纖傳感技術(shù)迅速發(fā)展，受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，正逐步成為繼光纖通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展之后又一大光纖應(yīng)用技術(shù)產(chǎn)業(yè)。其中，分布式光纖傳感是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。

分布式光纖傳感測(cè)量是利用光纖的一維空間連續(xù)特性進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)。光纖既作傳感元件，又作傳輸元件，可以在整個(gè)光纖長(zhǎng)度上對(duì)沿光纖分布的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，同時(shí)獲得被測(cè)量的空間分布狀態(tài)和隨時(shí)間變化的信息。 分布式光纖傳感技術(shù)主要有：基于光纖拉曼散射或布里淵散射的光時(shí)域反射及頻域反射技術(shù)（R/B-OTDR/OFDR）、基于光纖瑞利散射的偏振光時(shí)域反射技術(shù)（P-OTDR）、長(zhǎng)距離光干涉技術(shù)以及準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵復(fù)用技術(shù)等。

分布式光纖傳感技術(shù)原理

基于后向散射的分布式光纖傳感技術(shù)

當(dāng)光波在光纖中傳輸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生后向散射光，包括瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射。檢測(cè)由光纖沿線各點(diǎn)產(chǎn)生的后向散射，通過(guò)這些后向散射光與被測(cè)量（如溫度、應(yīng)力、振動(dòng)等）的關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)分布式光纖傳感基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感。

測(cè)量光纖中的反斯托克斯喇曼反射信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)分布式溫度傳感。從 20 世紀(jì) 80 年代開始，國(guó)內(nèi)外對(duì)反斯托克斯拉曼散射信號(hào)的光時(shí)域測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。

利用光纖背向拉曼散射的溫度效應(yīng)，光纖所處空間各點(diǎn)的溫度場(chǎng)調(diào)制了光纖中反斯托克斯背向拉曼散射光的強(qiáng)度，利用光纖的光時(shí)域反射技術(shù)（OTDR）檢測(cè)對(duì)所測(cè)溫度點(diǎn)定位。這種技術(shù)測(cè)量原理簡(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)低廉，目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn) 10 km 以上的測(cè)量距離，并得到一定程度的應(yīng)用。但是它需要高功率、短脈沖的光源和高速信號(hào)放大采集器件，其測(cè)溫精度和空間分辨率受到器件性能和造價(jià)的限制。

近年來(lái)光頻域反射技術(shù) （OFDR） 也得到較快發(fā)展。OFDR 技術(shù)，采用功率調(diào)制的連續(xù)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(shù)高近 2000 倍，信號(hào)雖然高速調(diào)制，但是頻帶窄，容易通過(guò)濾波除去噪聲，能夠大大提高傳感信號(hào)的信噪比，在空間分辨率、檢測(cè)精度和實(shí)時(shí)性方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。

基于布里淵散射的分布式光纖溫度/應(yīng)力傳感

用窄線寬連續(xù)激光對(duì)單模光纖進(jìn)行抽運(yùn)時(shí)，布里淵散射是一種主要的非線性效應(yīng)。布里淵散射的散射性能可以用布里淵散射頻移大小來(lái)描述，其大小與介質(zhì)的聲子速率有關(guān)，而該速率依賴于溫度和應(yīng)變。通過(guò)光譜分析獲得溫度或應(yīng)力信息，并采用脈沖光對(duì)參量場(chǎng)分布進(jìn)行定位，即可實(shí)現(xiàn)分布式光纖溫度和應(yīng)力傳感。

基于受激布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)于溫度、應(yīng)力等單一分布參數(shù)的測(cè)量有很高的精度和空間分辨率，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種最具潛力和突破性的技術(shù)。它一般采用抽運(yùn)－探測(cè)（Pump-Probe）結(jié)構(gòu),稱為布里淵光學(xué)時(shí)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(shù)主要包括基于脈沖激光抽運(yùn)的 BOTDA、基于相關(guān)連續(xù)波的 BOTDA 以及基于暗脈沖激光抽運(yùn)的 BOTDA。

基于偏振光時(shí)域反射的分布式傳感

偏振光時(shí)域反射(POTDR)傳感是通過(guò)檢測(cè)光纖中偏振態(tài)變化來(lái)達(dá)到分布式光纖傳感目的的一種新型傳感技術(shù)。POTDR 技術(shù)是在 OTDR 技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的, 其工作原理為：基于待測(cè)單模光纖中的后向瑞利散射光包含著偏振態(tài)沿光纖變化的附加信息。將線偏振光耦合進(jìn)光纖, 光脈沖在光纖中傳輸時(shí)發(fā)生瑞利散射, 散射過(guò)程中光的偏振態(tài)隨外界參量對(duì)纖的作用而變化，同時(shí)光的偏振性是位置的函數(shù),因此探測(cè)后向散射光的偏振特性, 即可得知光纖中偏振特性的時(shí)間分布及空間分布，從而獲得被測(cè)量的場(chǎng) 分布分布式光纖傳感技術(shù)具有極優(yōu)異的測(cè)量精度、可靠性和動(dòng)態(tài)測(cè)量特性，而且本質(zhì)安全，易于工程鋪設(shè)，因此在民用工程、航空航天、電力、石油化工、醫(yī)療等領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。

民用工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

分布式光纖傳感技術(shù)廣泛應(yīng)用于民用工程結(jié)構(gòu)如橋梁等建筑的安全檢測(cè)、巖石變形測(cè)量、道路和場(chǎng)地測(cè)量以及周界安防監(jiān)控中，可為監(jiān)測(cè)交通工具的速度、載重及種類提供很重要的數(shù)據(jù)。這種傳感器的測(cè)量精度可以達(dá)到幾個(gè)微應(yīng)變級(jí)，具有很好的可靠性，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，采用分布式埋入還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)建筑物的健康狀況監(jiān)測(cè)，從而防止工程及交通事故的發(fā)生。

航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

在航空航天領(lǐng)域，飛行安全是人們十分關(guān)注的一個(gè)方面。光纖傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。分布式光纖傳感技術(shù)早在 1988 年就成功地在航空航天領(lǐng)域中用于無(wú)損檢測(cè)。將光纖傳感器埋入飛行器或者發(fā)射塔結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成分布式智能傳感網(wǎng)絡(luò)，可以對(duì)飛行器及發(fā)射塔的內(nèi)部機(jī)械性能及外部環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。波音公司在這方面進(jìn)行了許多研究。目前可以使用分布式光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)機(jī)翼、羽翼、穩(wěn)定軸、支撐桿等處應(yīng)變及位移監(jiān)測(cè)，并且還有電機(jī)、電路等連接部位的運(yùn)行溫度實(shí)時(shí)在線測(cè)量。

船舶工業(yè)中的應(yīng)用

光纖傳感技術(shù)在船舶工業(yè)中也有著廣泛應(yīng)用，如船體關(guān)鍵位置的應(yīng)變監(jiān)測(cè)、損傷評(píng)估和超負(fù)荷條件下的早期報(bào)警。船舶的結(jié)構(gòu)缺陷常常影響其安全性能，基于分布式光纖傳感技術(shù)的大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船體的健康狀態(tài)，從而預(yù)防事故的發(fā)生。將光纖傳感技術(shù)大規(guī)模用于船舶、潛艇損傷的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

電力工業(yè)中的應(yīng)用

電網(wǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)大和電壓等級(jí)的不斷提高，對(duì)電力設(shè)備的可靠性和安全運(yùn)行提出了更高要求，而高壓檢測(cè)技術(shù)卻跟不上形勢(shì)的發(fā)展，常規(guī)檢測(cè)設(shè)備已不能滿足當(dāng)前的需要。目前分布式光纖傳感器是較理想的一種檢測(cè)技術(shù)，在高壓電力系統(tǒng)的安全監(jiān)控中有著重要應(yīng)用。比如可以用于電纜溫度和電纜導(dǎo)體載流量的監(jiān)控，利用分布式光纖傳感可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)距離輸電線路表面的溫度，計(jì)算導(dǎo)體溫度許用負(fù)載和載流量，進(jìn)而為輸電線路的故障監(jiān)測(cè)和負(fù)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(chǎn)利用率，發(fā)現(xiàn)潛在故障，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)。

石油化工業(yè)中的應(yīng)用

泄漏是輸油管道運(yùn)行的主要故障，往往也會(huì)由此造成巨大損失。因而，輸油管道泄漏檢測(cè)是石油行業(yè)亟待解決的重要問(wèn)題。利用鋪設(shè)在管道附件的傳感器，拾取管道由于泄漏、附近機(jī)械施工和人為破壞等事件產(chǎn)生的壓力和振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)一步可以通過(guò)傳感相關(guān)技術(shù)檢測(cè)管道泄漏并進(jìn)行定位。分布式光纖傳感技術(shù)由于能夠獲得被測(cè)物理場(chǎng)沿空間和時(shí)間上的連續(xù)分布信息，非常適合用于長(zhǎng)距離管道泄漏檢測(cè)。另外，利用分布式光纖傳感技術(shù)還可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓管道應(yīng)變和彎曲狀況。

醫(yī)學(xué)中的應(yīng)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(cè)量精度高，在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用具有明顯優(yōu)勢(shì)，例如對(duì)人體血管等的探測(cè)，人體外科校正和超聲波場(chǎng)測(cè)量等。光纖內(nèi)窺鏡使得檢查人體的各個(gè)部位幾乎都是可行的，且操作中不會(huì)引起病人的痛苦與不適，其中光纖血管鏡已應(yīng)用于人類的心導(dǎo)管檢查中。光纖內(nèi)窺鏡不僅用于診斷，目前也正進(jìn)入治療領(lǐng)域中，例如息肉切除手術(shù)等。微波加溫治療技術(shù)是當(dāng)前治療的有效途徑，但微波加溫治療技術(shù)的溫度難以把握，而光纖溫度傳感器恰可以對(duì)微波加溫治療技術(shù)的有效溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。光纖溫度傳感器在癌癥治療方面的研究和應(yīng)用正日益興起。