1、摘 要分布式光纖傳感技術(jsh)是在70年代末提出的，在這十幾年里,產生了一系列分布式光纖傳感機理和測量系統,并在多個領域得以逐步應用。目前, 這項技術已成為光纖傳感技術中最具前途的技術之一。本文主要介紹了光纖的相關特性，分布式光纖傳感技術的特點、作用及其分類，詳細論述了各種分布式光纖傳感器的原理、分布式光纖傳感技術的研究現狀和具體應用。關鍵字：光纖 分布式光纖傳感技術 原理 研究(ynji)現狀 應用目 錄摘 要引 言1、分布式光纖傳感技術(jsh)簡介1.1光纖基礎知識光纖的結構(jigu)特性光纖的機械(jxi)特性光纖的損耗特性 分布式光纖傳感技術原理 2.1 基于光纖后向散射的全分

2、布式光纖傳感技術 2.1.1 基于OTDR的微彎傳感器 2.1.2 基于自發拉曼散射的光時域散射型（ROTDR）傳感器 2.1.3基于受激拉曼效應的傳感器 2.1.4基于自發布里淵散射的光時域反射型（BOTDR）傳感器 2.1.5基于受激布里淵散射效應的傳感器基于布里淵散射的光時域分析型（BOTDA）傳感器 基于布里淵散射的光頻域分析型（BOFDA）傳感器基于布里淵散射的光相關域分析型（BOCDA）傳感器基于布里淵散射的光相關域反射型（BOCDR）傳感 2.1.6基于瑞利散射的偏振光時域反射型（POTDR）傳感器 2.1.7基于相位敏感的光時域反射型（-OTDR）傳感器2.2 長距離干涉傳感技

3、術2.3 基于光纖干涉儀的準分布式光纖傳感技術 2.4 基于FBG的準分布式光線傳感技術分布式光纖傳感技術國內外研究進展分布式光線傳感技術應用實例0 引言(ynyn)光纖傳感技術是20世紀70年代伴隨光纖通信技術的發展而迅速發展起來的，以光波為載體、光纖為媒質，感知和傳輸外界被測量信號的新型傳感技術。作為被測量信號載體的光波和作為光波傳輸媒質的光纖，具有一系列獨特(dt)的、其他媒介難以相比的優點。第一光波不產生電磁干擾，也不受電磁干擾影響，易被各種光探測器件接收，可方便地進行光電或電光轉換，易于與現代化裝置和計算機相匹配；第二光纖工作頻帶寬，動態范圍大，適合于大范圍、遠距離組網和遙測遙控，是

4、一種優良的低損耗傳輸線；在一定條件下，光纖特別容易接受被測量加載，是一種優良的敏感元件；光纖本身電絕緣，體積小，易彎曲，抗電磁干擾，抗輻射，耐壓，耐腐蝕，特別適合于易燃、易爆、空間狹窄及強電磁干擾等惡劣環境下使用。分布(fnb)光纖傳感技術一問世就受到極大地重視，幾乎在各個領域得到研究與應用，成為傳感技術的先導，推動傳感技術的蓬勃發展。1 分布式光纖傳感技術簡介1.1 光纖基礎知識光纖是光導纖維的簡稱，是一種重要和常用的波導材料，它利用光的全反射原理將光波能量約束在其界面內，并引導光波沿光纖軸線方向傳播。在將光纖作為傳感材料應用前，需掌握光纖的結構特性、機械特性以及損耗等特性，依據工程實際的特

5、點選擇合適的傳感光纖。1) 光纖的結構特性光纖的主要結構包括纖芯、包層、涂覆層及護套層1,其中纖芯和包層為光纖結構的主體，對光波的傳播起決定性作用。纖芯直徑一般為5-75主要材料為二氧化桂，摻雜有極微量的其他材料，如二氧化錯、五氧化二碟等，以提高纖芯的折射率；包層為緊貼纖芯的材料層，其光學折射率稍小于纖芯材料，包層可設置一層或多層，其總直徑一般為100-200。包層的主體材料也是二氧化硅，但其微量摻雜材料一般為三氧化二硼或四氧化二硅，以減低包層的折射率；涂覆層的材料一般為硅酮或丙稀酸鹽，用于隔離雜光；護套的材料一般為尼龍或其他有機材料，用于增加光纖的機械強度，起到保護光纖的作用。光纖傳感器按照

6、結構特征可分為松套光纖和緊套光纖，松套光纖是涂覆層以內的結構可在護套層內自由移動，可作為通信光纖或者溫度補償光纖使用；緊套光纖則是將塑料緊套層直接加工在光纖涂覆層外，涂覆層以內的結構與包層不發生相對移動，該類型光纖一般用以應變傳感。2) 光纖的機械(jxi)特性普通(ptng)外徑125左右(zuyu)的通信光纖，如不存在裂紋則可承受30kg左右的拉力作用，然而纖芯中不可避免地存在細裂紋，裂紋在拉力作用下會不斷擴展2，明顯降低光纖的斷裂強度。因此，實際的抗拉力僅為7kg左右，但光纖的抗拉強度比起同樣粗細鋼絲要大1倍。保證光纖制造過程中熱源清潔、涂料無塵、拉絲溫度合理、高質量研制棒等，可獲取高機

7、械強度的光纖產品3。3) 光纖的損耗特性光波在光纖中傳輸時，光功率不僅隨傳輸距離增加而呈現指數衰減，還存在吸收損耗、散射損耗等固有損耗。同時，傳感器鋪設過程中也存在光纖損耗的可能，如光纖彎曲時的曲率半徑過小，也會使得光纖內的光在纖芯和包層界面上出現泄漏而產生損耗；光纖之間的連接質量也是引起光纖損耗的重要原因，如纖軸錯位、纖軸傾斜、端面有間隙、端面不平整等都有可能引起較大的損耗。目前，光纖間的相互連接釆用光纖熔接機進行高溫熔化對接，主要經歷纖芯保護層去除、清潔裸纖、端面切割、光纖溶接等工序，各工序均為精細操作，如操作不當均有可能引起明顯的光損。光纖的固有損耗在光纖制造工藝不斷提高下，其影響已經相

8、當小，而彎曲、熔接操作不良等引起損耗是人為現象，其損耗往往超過固有損耗幾個數量級，如不進行嚴格控制將引起線路失效。1.2 分布式光纖傳感技術 光纖傳感器可用于通訊、工程、物理參數測量等領域，隨著技術和需求的發展，它由單點檢測逐漸發展成為多點準分布式和全分布式檢測.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。光纖既作為傳感元件，又作為傳輸元件，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，由于分布式傳感技術能夠實現大范圍測量場中分布信息的提取，可解決目前測量領域的眾多難題，因此成為目前國內外研究的熱點。分布式光纖傳感器的

9、種類很多，根據監測空間的范圍不同，主要可分為準分布式光纖傳感器和全分布式光纖傳感器兩類：準分布式光纖傳感器是把空間上呈一定規則分布的相同調制類型的光纖傳感器耦合到一根或者多根光纖總線上，通過尋址、解調，檢測出被測量的大小及空間分布，光纖總線僅起到傳光作用。因此，準分布式光纖傳感系統實質上是多個分立式光纖傳感器的復用系統。根據光波被外界信號調制的光波的物理特征參量的變化情況，可將光波的調制分為(fn wi)光強度調制、光頻率調制、光波長調制、光相位調制和偏振調制這幾種類型。按照尋址方式的不同，它又可以分為時分復用（TDM）、空分復用（SDM）、波分復用（WDM）、頻分復用（FDM）、偏分復用（P

10、DM）等幾類，其中時分復用、波分復用和空分復用技術較為成熟，復用點數越多。準分布式光纖傳感器中常用的復用光纖傳感器主要有以相位調制型光纖干涉儀和波長調制型光纖布拉格光柵(FBG)。全分布式光纖傳感器是利用一根光纖作為(zuwi)延伸的傳感元件，光纖上的任意一段既是傳感單元，又是其他傳感單元的信息傳輸通道，因而可獲得被測量沿此光纖在空間和時間上變化的分布消息。它消除傳統傳感器存在的傳感“盲區”，從根本上突破了傳統的單點測量限制，是真正意義上的分布式光纖傳感器。全分布式光纖傳感器主要有兩大類：一類基于光纖后向散射的光時域反射技術（OTDR）,另一類是基于長距離干涉技術，全分布式光纖傳感器利用一根光

11、纖取代大量的分立傳感器進行測量，大大降低了造價，性價比很高，得到了廣泛(gungfn)地應用。2 分布式光纖傳感技術原理目前分布式光纖傳感技術主要有基于光纖后向散射的全分布式光纖傳感技術、長距離干涉技術、基于光纖干涉儀的準分布式光纖傳感技術以及基于FBG的準分布式光線傳感技術等。目前分布式光纖傳感技術使用的方法主要有反射法、波長掃描法和干涉法，上述傳感技術中，基于光纖后向散射的全分布式光纖傳感技術采用的就是反射法，可分為光頻域反射法和光時域反射法；波長掃描法的測量主要是利用保偏光纖（保偏光纖能夠保證線偏振方向不變）在外部擾動作用時發生模式耦合效應實現的，該方法分辨力高，但測量范圍小，系統成本高

12、，不利于使用化；干涉法是利用各種形式的干涉裝置對干涉光路中光波的相位解調，從而得到被測量信息的方法。2.1 基于光纖后向散射的全分布式光纖傳感技術依據所監測信號的不同，主要分為基于拉曼（Roman）散射的分布式溫度傳感器、基于瑞利（Rayleigh ）散射的分布式光纖損耗檢測傳感器及基于布里淵散射（Brillouin）的分布式應變傳感器。當激光脈沖在光纖中傳輸時，由于光纖中含有各種雜質，導致激光和光纖分子出現相互作用，從而產生瑞利、拉曼和布里淵這三種(sn zhn)散射光。如光纖沿線被測物理量發生變化，將引起散射光的頻率發生偏移，可利用光時域反射技術分析上述頻移信號，獲取被測物理量的大小、時間

13、及空間信息。1997年Barnoski 博士首先(shuxin)提出了光時域反射技術OTDR（Optical Time Domain Reflection）技術，結合瑞利散射來檢測光纖沿線故障檢測，目前該技術已成為光纖領域(ln y)必不可少的線路檢測工具，其檢測原理如圖2-1所示圖2-1 分布式光纖傳感原理由圖2-1可知，當激光脈沖在光纖中傳輸時，產生的散射光將背向發射至激光入發端，在此時域里，入射光經背向散射返回至光纖入射端所需的時間為t，脈沖光所走過的路程長為2L: （2-1） 式中V（V=c/n ）光在光纖中的傳播速度，c為真空中的光速，n為光纖折射率（n一般為1.5 )。在時域里，可

14、測量得到時刻距離光纖入射端距離為處的局部背向散射光。基于上述原理，在任意時間t內計算得到光纖沿線方向的散射光信息。由光纖的散射光譜可知，光纖局部存在多種散射光類型（瑞利、布里淵、拉曼散射），依據不同的散射光分析技術可實現不同物理參數的分布式檢測。 2.1.1 基于(jy)OTDR的微彎傳感器4微彎型光纖傳感器是根據(gnj)光纖微彎形變引起纖芯或包層中傳輸的光載波強 度變化的原理制成的全光纖型傳感器。這種傳感器主要(zhyo)用于對應變、溫度等物理場的檢測。其檢測分辨率可達到0.1nm( 0.l nm=1 0-9 m) 級位移水平，檢測動態范圍達到100d B以上。微彎型傳感技術可分為亮場型和

15、暗場型兩種。前者是通過對纖芯中的光強度的變化來實現信號能量的轉換；而后者則檢測的是包層中的光信號。微彎型光纖傳感器的換能裝置是由一種能夠引起光纖產生微彎變形的部件-變形器與光纖構成的。如圖 2 所示，變形器由上下兩塊帶有均勻鋸齒槽的夾板組成 , 其齒距為 L , 并且二個鋸齒槽能夠很好地相互吻合。在二板間夾有一根光纖。當外場對夾板的作用力F發生變化時，光纖的微彎變型幅度將隨之變化，并進一步引起光纖中耦合到包層中的輻射模也發生相應的變化。圖2-2 微彎光纖傳感器 2.1.2 基于自發拉曼散射的光時域散射型（ROTDR）傳感器在任何分子介質中，光通過介質時由于入射光與分子運動相互作用會引起頻率發生

16、變化的散射稱為拉曼散射。分子吸收頻率為 V0的光子，發射V0-Vi的光子，同時分子從低能態躍遷到高能態（對應為斯托克斯光）；分子吸收頻率為V0的光子，發射V0+Vi的光子，同時分子從高能態躍遷到低能態（對應為反斯托克斯光）。 圖2-3 拉曼散射(snsh)信號(xnho)量子分析由于拉曼散射由分子熱運動引起，所以拉曼散射光可以攜帶散射點的溫度信息，而且反斯托克斯光的幅度強烈依賴于溫度，而斯托克斯光則不是，所以可通過測量斯托克斯光與反斯托克斯光的功率比探測溫度的變化，其結果消除了光源波動(bdng)、光纖彎曲等因素的影響，只與沿光纖的溫度場有關，因此可長時間保證測溫精度。 注意由于自發拉曼散射光

17、一般很弱，所以必須采用高輸入功率，且需對探測到的后向散射光信號取較長時間內的平均值。圖2-4 基于自發拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器原理 2.1.3基于受激拉曼效應的傳感器強泵浦脈沖注入單模光纖，在斯托克斯波長下，與光纖另一端注入的連續(linx)探測光相互作用產生非線性效應受激拉曼效應(xioyng)。根據受激拉曼效應的強度可以測量應變、壓力等外力場。 2.1.4基于自發布里淵散射(snsh)的光時域反射型（BOTDR）傳感器在BOTDR中測量的是布里淵散射信號與布里淵散射光頻率相關的光纖材料特性主要受溫度和應變的影響，因此，通過測定脈沖光的后向布里淵散射光的頻移就可實現分布式溫度、應變測量

18、5，BOTDR 相干檢測原理如圖2-5：圖2-5 BOTDR 相干檢測原理2-5圖中光源發出的連續光被耦合器分成兩部分，一部分由電光調制器調制成脈沖光，入射到傳感光纖，另一部分作為本振光進入參考光路。由脈沖光產生的背向散射光進入光電檢測器與本振光進行相干檢測，取出差頻分量，即布里淵頻移信號，對布里淵頻譜進行分析即可得到布里淵參數的變化，從而解調出溫度和應變信息，背向散射光與脈沖光之間的時延提供了對光纖位置信息的測量。 2.1.5基于受激布里淵效應的傳感器 （1）基于 BOTDA 的分布式光纖傳感技術基于微波外調制的單激光器環形BOTDA系統，用耦合器將光源分為(fn wi)兩路或者根據需要將2

19、根光纖對來實現單端入射，以此簡化設備，減少測量時間，并能達到較高的測量精度。基于微波外調制的BOTDA光纖傳感系統如圖2-6：圖2-6 基于(jy)微波外調制的BOTDA光纖傳感系統系統采用1550nm工作波長的窄線寬激光器，通過3 dB耦合器將光源分為兩路。其中一路光信號由電光調制器（EOM1）調制成脈沖光，經過摻鉺光纖放大器放大，光柵濾除EDFA產生的自發輻射噪聲后進入傳感光纖。耦合器的另一路光信號由EOM2調制產生約11 GHz頻移。當光纖中相向傳輸的兩路光的頻率差與光纖的布里淵頻移一致時，受激布里淵散射作用最強。探測光通過環形器進入光電檢測器檢測， 再由高速數據采集設備(shbi)（A

20、/D）和計算機進行疊加平均和頻譜擬合， 就可確定光纖各段布里淵增益達到最大時所對應的頻率差， 該頻率差與光纖各段上的布里淵頻移相等， 因此能夠確定與布里淵頻移呈線性關系的溫度和應變， 從而實現應變或溫度的分布式測量。 （2）基于 BOFDA 的分布式光纖傳感技術BOFDA 是基于測量光纖的傳輸函數實現對測量點定位的一種傳感方法。這個傳輸函數把探測光和經過光纖傳輸的泵浦光的復振幅與光纖的幾何長度關聯起來，通過計算光纖的沖擊響應函數確定沿光纖的應變和溫度信息。BOFDA 傳感系統原理如圖2-76：圖2-7 基于(jy) BOFDA 的分布式光纖傳感技術圖2-7中，一束窄線寬連續泵浦光從一端入射進單

21、模光纖，另一束窄線寬連續探測光從光纖的另一端入射。探測光的頻率被調節到比泵浦光頻率低，且兩者頻率差近似等于光纖的布里淵頻移。探測光由一個頻率f m可變的正弦信號(xnho)進行幅度調制，對每一個確定的信號頻率值，由光電檢測器分別檢測探測光和泵浦光的光強，光電檢測器的輸出信號輸入到網絡分析儀，由網絡分析儀計算出光纖的基帶傳輸函數。網絡分析儀輸出信號經模/數轉換后進行快速傅立葉反變換，其輸出信號h（t）中即包含了沿光纖軸向的溫度或應變分布信息。 （3）基于(jy) BOCDA 的分布式光纖傳感技術BOCDA 技術7采用頻率調制的連續泵浦光和探測光并求兩者相關函數，是一種可大大提高分布式光纖傳感系統

22、空間分辨率的技術方案，其實驗系統的空間分辨率理論上可達到毫米量級。傳感光纖兩端分別入射連續探測光和連續泵浦光，這兩束同步調制光在一個正弦波上產生一個相關的周期峰，并在光電檢測器上接收鎖相放大器的同步信號。基于 BOCDA 的分布式光纖傳感器如圖2-8：圖2-8 基于(jy) BOCDA 的分布式光纖傳感器探測光與泵浦光發生受激布里淵散射后依次經過(jnggu)環行器、光濾波器和光電檢測器，然后由鎖相放大器檢測周期峰的相關度來確定光纖上發生布里淵散射的位置，從而實現分布式測量。 （4）基于(jy) BOCDR 的分布式光纖傳感技術BOTDR作為單端通路系統相對于雙終端通路系統更加有利，但是不能同

23、時滿足高精度和高空間分辨率的測量。基于BOCDR的分布式光纖傳感系統如圖3-88：圖2-9 基于BOCDR的分布式光纖傳感系統耦合器將光源分為兩路，一路為參考光，被用作本振光，經延時后在平衡光電檢測器上相加取其自相關；另一路為泵浦光，經環行器送入傳感光纖， 經傳感光纖散射的斯托克斯光被送入平衡光電檢測器， 兩路信號經平衡光電檢測器之后被送入頻譜分析儀。 2.1.6基于瑞利散射的偏振光時域反射型（POTDR）傳感器 入射光為偏振光，背向瑞利散射光與入射光偏振方向相同。當光纖的某點受到作用，由彈光效應引起偏振狀態的變化，實時(sh sh)探測散射光偏振態的變化即可獲得應力等參量的空間分布。從微弱的

24、散射信號中提取偏振態演化信息是POTDR分布式傳感器的關鍵。 2.1.7基于相位敏感(mngn)的光時域反射型（-OTDR）傳感器在OTDR系統中，如果光源的線寬足夠窄，相干度很高，那么從光纖的不同部分返回的散射光會發生干涉。利用這種散射光的相干性設計出的相位(xingwi)敏感型光時域反射系統，可以探測出傳統OTDR系統無法察覺的弱信號的干擾。相位敏感OTDR（)與傳統型OTDR最大的不同就是采用了相干光源，并且要求光源具有窄線寬和低頻率漂移特性。2008年，謝孔利等9提出了一種采用大功率超窄線寬單模光纖激光器作為光源的分布式傳感系統。激光器結構如圖2-10所示。 圖2-10 激光器結構激光

25、腔由兩個光纖布拉格光柵（FBG）與一段很短的高增益有源光纖熔接在一起組成，超窄帶光纖布拉格光柵（NB-FBG）和另一個寬帶、高反射率的光纖布拉格光柵（WB-FBG）形成激光腔，該激光器的線寬 3 KHZ，頻率漂移很小，在正常的實驗室條件下為11.5 MHZmin ，輸出功率為50mw。實驗系統結構框圖如圖2-11所示。光纖激光器發出的連續光，經過電光調制器（EOM）后產生光脈沖，光脈沖被摻鉺光纖放大器（EDFA）放大，由帶通濾波器（BPF，包含FBG的結構）濾除自發輻射光后通過一個3dB耦合器進入傳感光纜。用帶有前放和濾波功能的光電探測器探測后向瑞利散射光，采用300 KHZ的低通濾波，用采樣

26、率為50 MSS的數據采集卡（DAC）采集數據，并用 MATLAB軟件處理數據。傳感光纜采用普通單模光纖制成的直徑3mm的細光纜，并埋設于室外。定位精度可達到 50m，定位范圍可達到14km，信噪比約為12dB，且靈敏度較高。圖2-11 實驗(shyn)系統結構框圖92.2 長距離干涉(gnsh)傳感技術傳統觀念認為(rnwi)，干涉儀多用于高靈敏度的點式傳感器如水聽器（又稱水下傳聲器（underwater microphone），是把水下聲信號轉換為電信號的換能器），而由于相干條件的限制難以做到長距離。隨著激光器技術的發展，達到 ?kHZ線寬的激光器逐步問世，激光光源的相干性越來越強，使得長

27、距離光纖干涉儀成為可能。特別是薩格納克干涉儀，其自身具有的對稱平衡性使其可以工作于低相干光條件下，因此近年來對長距離干涉技術的研究也越來越廣泛，成為分布式傳感的一個重要分支。干涉技術最大的優點是干涉檢測的靈敏度極高，光纖本身既是傳輸媒質又是感知元件，光纖上任意一點都是傳感單元，能夠實現“海量”檢測，是一種真正意義上的全分布式光纖傳感器。同時相比于后向散射型分布式傳感器，干涉儀探測正向傳輸光信號變化的方向發展，因此測量信噪比和準確率都高得多，傳感距離也長得多，數據處理簡單，實時性好。干涉儀不僅適合測量靜態、半動態信號，更適合于動態信號的檢測。由于干涉儀屬于相位調制型傳感器,長距離干涉儀沿線的相位

28、積累和正向光傳輸使得如何準確定位信號成為分布式傳感中的一大難題，目前國外研究取得了一定的進展，在已經報道的技術中，大多采用將馬赫澤德、薩格納克以及邁克爾遜等干涉儀混合使用，通過特殊光路結構使得兩個干涉儀共享同一條傳感光纖，并采用光纖延時線使得兩個干涉儀之間產生光程差，從而依靠兩個干涉儀的輸出得到待測量的大小和發生位置，實現分布式測量。基于上述原理的分布式長距離干涉傳感器從特殊結構設計上實現了分布定位，而對多點同時發生干擾的情況無能為力(w nng wi l)，這實際上限制了其在長距離分布式傳感器中的應用。Russell S J 等人提出了一種基于雙薩格納克干涉和波分復用技術的分布式光纖傳感器，

29、能夠實現多點干擾檢測和定位，但是結構復雜，成本高。2.3 基于(jy)光纖干涉儀的準分布式光纖傳感技術常用(chn yn)的光纖干涉儀主要有馬赫澤德干涉儀、邁克爾遜干涉儀和薩格納克干涉儀，由于光纖干涉儀屬于相位調制型傳感器，最終表現為輸出光強受到調制。因此這類傳感單元主要以時分復用和空分復用為主，且由于馬赫澤德干涉儀的直線平衡結構，串并聯使用方便，因此在準分布式傳感中應用最為廣泛。由于干涉儀輸出光強是相位變化的非線性函數，要想獲得待測參量的大小，必須從調制光強中恢復相位調制信息，因此馬赫澤德干涉儀關鍵技術是相位解調方法，近年來國內外經研究形成了多種解調方法，如零差解調法和外差法解調等。2.4

30、基于FBG的準分布式光線傳感技術 FBG傳感表現為中心波長調制（或波長編碼），通過對FBG反射波長移動的監測即可測量外界參量的變化，探測能力不受光源功率波動、光纖彎曲損耗、探測器老化等因素的影響，適合長期安全監測。鑒于FBG對溫度、應力、壓力和振動等外界參量的高靈敏度傳感功能，同時又具有體積小、動態區間寬、可靠性高、可大規模生產和遠程操控能力強等突出優點，因而成為目前光纖傳感領域內最有力的競爭者。為了將FBG更好的應用于分布式光纖傳感器中，增加可檢測區域范圍，提高檢測空間分辨率和精度，同時降低系統成本，如何有效提高FBG的復用能力是急待解決的技術難題。目前對光纖光柵復用技術的研究受到廣泛關注。

31、復用的FBG主要有兩種：中心波長不同的非同光柵以及中心波長、帶寬、敏感特性均一致的全同光柵。3 分布式光纖傳感技術應用現狀分布式光纖傳感器作為近二十年內才發展起來的新型監測技術，經歷了理論研究、傳感器研制、室內試驗、工程應用等階段。目前，已有多家公司可提供性能穩定的BOTDA/R，依托商業化的傳感器，國內外學者進行了一系列室內試驗和現場應用，主要進行了分布式光纖傳感器標定，研制新型傳感器封裝方式，開發新的應用領域等工作。在試驗室研究(ynji)方面，吳智深對基于BOTDR的光纖變形檢出特性進行了試驗研究，包括光纖拉伸和壓縮試驗，有利于理解光纖所測應變(yngbin)數據的意義。索文斌提出了釆用

32、等強度梁和BOTDR標定傳感光纖的溫度頻移系數(xsh)及應變頻移系數的方法，為將普通通訊光纖標準化為分布式光纖傳感器進行標定。高俊啟通過將分布式傳感光纖布設在鋼筋和混凝土表面，通過靜載試驗研究了試驗梁性能，同時對的測量誤差進行了分析。同時，分布式光纖傳感技術最大的優點在于其可實現結構物理量的分布式監測，能克服了傳統點式傳感器存在漏檢現象的缺點，使其在結構完整性評估、裂縫監測等方面具有一定的優勢。Nishio采用PPP-BOTDA測試了埋設在由復合材料組成的梁內部的光纖應變，驗證了由分布式應變反算結構變形的可行性，后期將該技術應用在平板變形反演中，Akiyoshi等人將技術應用于2000年美洲

33、杯帆船賽的曰本隊帆船優化設計中，通過測試數據評估了曰本隊帆船的完整性和受力作用下的響應。Takeda等人釆用AQ8602B型對飛機機身的片狀結構的制造過程及后期加載進行了應變檢測，提出通過分析布里淵頻譜提高空間分辨率及識別動態應變，依托上述技術建立飛行器應變檢測系統。Lee提出一種結合分布式光纖傳感技術和神經網絡技術的結構損傷方法，并在對一根具有預制裂縫的梁進行了測試。Zhang 利用BOTDR對裂縫進行了監測并分析其應用于裂縫監測的可行性。Zou通過試驗提出了利用布里淵散射的光纖應變判斷裂縫開展過程。Lu等人將裂縫監測技術應用于某新青鋪裝層的裂縫監測中。錢振東等人開展了基于BOTDA的橋面板

34、疲勞裂縫監測研究，利用光纖應變得到了疲勞擴展模型。布式光纖傳感技術還具有化學穩定性等優點，可在銹獨、潮濕、高溫等環境中存活。軒元認為當鋼筋銹蝕到一定程度之后，在局部銹燭區域鋼筋與混凝土的粘結性能下降，導致鋼筋以及周圍混凝土的應力、應變發生變化，通過比較不同時間的BOTDA監測結果可推斷出鋼筋的銹燭狀況。甘宇寬將傳感光纖按一定的方式布設在被測物的內部和表面，監測被測混凝土在鋼筋銹姓情況下的銹脹力以判斷鋼筋銹燭的過程。Pamukcu設計了基于布里淵散射的含水量光纖傳感器，采用親水聚合物作為含水量的傳感元件，并將其僅僅纏繞在光纖周圍，水分變化將引起聚合物膨脹或收縮，從而產生光纖應變，其值變化反應了含

35、水量變化過程。在將分布式光纖傳感器應用于實際工程前，需考慮傳感光纖的存活問題，如不對裸光纖進行合理的封裝和保護，則難以(nny)獲取理想的監測數據。Zeng釆用Bao等課題組研發的系統，測試了一根長1.65m的鋼筋梁的三點及四點加載應變，采用了兩種光纖保護方式，一種是將光纖埋入玻璃纖維筋（GFRP），另一種是釆用環氧樹脂將光纖枯結在鋼筋表面，結果表明上述(shngsh)方式保護的光纖均能存活并具有備好的測試結果；Matta以鋼纖維帶的形式在鋼橋表面布設(b sh)分布式光纖，可同時實現應變監測和溫度補償，并采用AQ8603型BOTDR測試該橋加載過程中的應變。劉永莉認為光纖固定困難制約了應用光

36、纖監測的許多領域，針對邊坡變形監測中光纖固定方面遇到的問題，利用摩擦力對張力分布的影響，提出釆用緩繞方式固定光纖的方法，并結合滑坡監測工程實踐，提出了合理設計布線方式。Wu還釆用BOTDR并結合點式固定傳感光纖和全線枯結傳感光纖，對PBO-FRP的加固效果進行了評估和分析。于立朋采用樹脂加玻璃纖維的復合材料對傳感光纖進行封裝，結合BOTDA技術實現了變壓器繞組溫度在線監測。Zhou設計了一種FRP加固的長標距光纖傳感器，通過電鏡掃描、理論分析、荷載試驗研究了其表面牲結強度、力學性能、應變傳遞性能等，并將其應用于某高速公路和大慶油田油井。 由于分布式光纖傳感技術具有測試范圍大的優點，主要應用于大

37、型土木工程中。如海底管道、輸油、輸氣方面，Li等人依據海底管線監測的技術要求，如可實現長距離、小空間分辨率、大變形、多參量測試等，設計了試驗方案分別模擬了室溫、高溫下管道的拉伸及彎曲破壞，并采用分布式光纖傳感器（DTSS系統）測試了管道應變。Zou在室內采用15cm空間分辨率的PPP-BOTDA監測了2667m，直徑762mm管道的屈曲，并成功監測到了屈曲發生部位。Zhang等利用Bao課題組技術進行了管道屈曲試驗，通過對布里淵頻譜分析成功預測了屈曲的幅度及位置。Inaudi還利用布里淵散射對溫度敏感的特性設計了管道漏氣監測方法，并采用模擬試驗驗證了該方法的有效性。在橋梁(qioling)、隨

38、道、道路等交通工程方面，Kluth等釆用系統監測對工鋼梁3.0m 純彎曲加載試驗，并對Daejeon Railway Station的火車鐵軌進行(jnxng)了應變測試。Glisic認為將分布式光纖傳感器應用于裂縫監測存在空間分辨率小、應力集中過大等難題，提出通過識別布里淵頻移第二峰值的方法進行裂縫判斷(pndun)，設計了合理的光纖固定方式將其應用于某橋梁裂縫監測。Zhang建造于1995年的滬寧高速某橋梁的破壞性試驗進行分布式應變監測，應用測試的應變場對橋梁損傷進行了時域和空間域的分析和判斷。錢振東為驗證BOTDA測試莉青混凝土鋪裝層裂縫的可行性，進行了光纖抗壓、溫度交變及裂縫模擬試驗，

39、比選了裸光纖和緊套光纖的抗壓及裂縫監測能力，建立了布里淵頻移和裂縫寬度之間的關系，應用表明BOTDA對實際路面溫度、殘佘變形和裂縫監測具有很高的測量精度和穩定性。周智等人釆用耦合器和光開關實現了FBG和BOTDA/R的共線測試，并在試驗室測試了鋼筋混凝土梁和平行鋼絲拉索索力，實現了一根光纖完成全尺度分布式和局部高精度測試的目的。施斌先后在南京的鼓樓隨道、玄武湖隨道以及昆明白泥井號隨道布設了傳感光纖，建立了基于BOTDR技術的分布式光纖應變監測系統。在巖土工程方面，Klar提出釆用分布式光纖構件監測網，自動檢測隨道開挖過程造成的擾動、沉降等現象，并進行了室內模擬試驗；相同的應用，Delepine

40、-Lesoile 釆用BOTDR和Optical Frequency Domain Reflectometery （OFDA）技術進行了地表塌陷的模擬試驗，兩者均能感應塌陷的發生，但OFDR具有更高的靈敏度。丁勇利用BOTDA分布式光纖傳感技術，將普通H型鋼改造成為自感知樁體，使之能夠在基坑開挖過程中自動獲取H型鋼翼緣應變、樁身彎矩、曉度等受力變形數據。劉杰釆用BOTDR技術對深基的土體水平位移進行了監測，并提出了相應的施工工藝流程。黃志懷釆用AQ8603測試了GFRP錨桿的拉伸應變。葛捷在堤壩表面鋪設傳感光纖以監測海堤沉降。張俊義將傳感光纖埋入混凝土格構和貫穿于滑體得水泥階路，構成分布式光纖

41、監測網，采用AQ8603測試了三峽巫山殘聯滑坡的變形，依據監測結果對光纖種類、鋪設方式、空間分辨率、監測周期、溫度補償等關鍵問題進行了解釋和思考。Kato介紹了三個利用BOTDR技術監測邊坡失效的工程實例，其間利用監測數據估計塌方出現的時間，可進行災害的提前預警。劉永莉用BOTDR對浙江省龍麗高速的某滑坡進行長期監測，并設計了光纖纏繞固定技術進行了浙江省諸永高速的某滑坡監測。4 分布式光線傳感技術(jsh)應用實例光纖傳感器技術是一項當今世界令人矚目的迅猛發展起來(q li)的高新技術之一，也是當代科學技術發展的一個重要標志，它與通信技術、計算機技術構成信息產業的三大支柱。由于分布式光纖溫度傳

42、感系統中的檢測光纖本征無源不帶電，耐高電壓和強電磁場、耐電離輻射，抗射頻和電磁干優，防雷、防爆、抗腐蝕，能在有害環境中安全運行，是實用的“本安”型傳感器，因此，在電力系統、交通領域、隧道、大壩、石油、化工、煤礦等危險區域的大面積、大范圍(fnwi)的溫度報警和火情監測等領域，已成為光纖傳感技術和檢測技術應用的發展趨勢。 4.1電力工業10智能電網的基本特征就是信息化、自動化和互動化，要實現這一目標，作為信息采集的關元器件，傳感器是不可或缺的，而光纖傳感器由于其自身的優點，必將在電力系統中獲得廣泛的應用。采用分布式光纖傳感器對輸電線路進行溫度測量在國外已經得到廣泛應用，而國內也在積極地開展這方面

43、的研究工作分布式光纖傳感器在輸電環節的另一種應用，則是對輸電線路的塔、線的結構健康監測，尤其是監測輸電塔、線在惡劣環境(覆冰、大風、高低溫等)下的受力情況，確保電力系統的安全可靠運行，這方面的研究處于起步階段。如何充分利用光纖傳感器多參數測量的優勢，如何將分布式光纖傳感系統對溫度和應力進行測量與電纜故障診斷技術相結合，構成基于光纖傳感器的電纜在線故障診斷系統，實現電纜溫度、應力應變的實時監測和動態載流量分析，實時進行電纜電氣故障分析、識別和定位，保障智能電網的安全可靠運行，將是分布式光纖傳感器在輸電環節應用的重點發展方向。高壓電氣設備中由于微波和電磁干擾的影響，傳統的測溫方法難于或者根本無法得

44、到真實的測試結果。而分布式光纖溫度傳感器與傳統的各類溫度傳感器相比，其具有一系列獨特的優點：使用光纖作為傳輸和傳感信號的載體，有效克服了電力系統中存在的強電磁干擾； 利用一根光纖為溫度信息的傳感和傳導介質，可以測量沿光纖長度上的溫度變化；采用先進的 OTDR 技術和 Raman 散射光對溫度感的特性，探測出沿著光纖不同位置的溫度的變化；實現真正分布式的測量， 非常適合各種長距離的溫度測量、在線實時監測等。 4.2 道路交通4.2.1在列車溫度測量方面(fngmin)的應用列車車廂防火監控列車需要(xyo)對車廂中的溫度進行測量，以達到防火監控的目的。目前列車上主要使用煙霧報警器和紅外報警器來進

45、行防火監控，但這類系統存在兩個方面的問題：一是它們只能在火災發展到明火階段后才能發現，無法將火災消滅在隱患階段；二是它們的可靠性較差，常發生誤報，例如乘客在車上吸煙時就會觸發煙霧報警器。目前有一種基于光纖拉曼散射的分布式光纖拉曼溫度傳感器，它可以利用一根普通光纜對數公里范圍內光纜周的環境溫度進行測量，測量精度達到，它還可以對測量點的位置進行精確定位，精度(jn d)可以達到11 以內。利用該傳感器進行消防監控，可以在溫度發生異常時就進行報警，將事故消滅在萌芽階段。該傳感器目前已經廣泛應用于管道泄漏監測、地鐵隧道消防監控、電纜溝消防監控，在車廂防火監控中也有著潛在的應用前景。4.2.2在鐵道災害

46、防治中的應用12山坡上布置基于布里淵散射的分布式光纖布里淵應力傳感器。這種傳感器利用光纖中的背向布里淵散射進行測量，可以同時測量光纖沿線的溫度和應力情況，并且可以精確定位測量點的位置。將這種光纖固定山體上的錨桿中，當山體發生滑坡時，碎石帶動錨桿移動，從而拉扯光纖產生應力。根據散射光的強度和返回時間，即可知道山體滑坡發生的地點。該傳感器只需要使用普通光纖，成本較為低廉，同時其測量范圍遠遠大于光纖光柵傳感器，可以達到幾公里甚至幾十公里。在北方，嚴重結冰發生的概率更大，每年都給鐵路交通運輸造成很大損失。分布式光纖布里淵應力傳感器可用于輸電線的結冰監測。其方法是，將測量光纜與輸電線安裝在一起，當有結冰

47、和積雪發生時，會導致測量光纜被拉伸，通過應力測量即可知道輸電線纜是否有斷裂的危險，并可準確地知道事故發生地點的位置。這種傳感器體積小、質量輕，不會給輸電帶來額外的負荷；抗電磁干擾能力強，可以傳輸很遠的距離；同時它準確判斷位置的能力也是電類傳感器無法做到的。4.3 工程(gngchng)應用13,14應用于工程領域的光纖傳感技術主要有光纖光柵（FBG）、瑞利散射光時域反射（OTDR）和拉曼光時 域反射（ROTDR）、布里淵光時域反射（B0TDR）或布里淵光時域分析（BOTDA）。每種光纖傳感技術的特 點不同。適用于不同的監測對象。FBG 技術主要進 行點式高精度監測，具有高速實時監測的性能，適用

48、 于橋梁(qioling)、隧道的重點部位的監測，成本適中，但是其監 測點數有限并存在盲區。其他幾種傳感技術的特點 及應用如表1 所示。分布式光纖傳感技術優缺點應用后向瑞利散射成本低、測量精度低、傳感距離短應用最早，目前研究甚少周界入侵、振動監測自發拉曼散射空間分辨力1 m、溫度分辨率 1 oC 、測量范圍48 km,成本適中目前已成熟建筑物滲漏、火災情況布里淵散射測量精度高、傳感長度長達51 km、空間分辨率0.5 m、成本高廣泛關注與研究長距離分布式應力監測、大中型建筑工程、長期穩定性監測前向傳輸模耦合理論上可得極高分辨率、原理簡單、實現困難目前暫無工程應用表1 分布式光纖傳感技術(jsh

49、)的優缺點及應用4.3.1管道(gundo)監測15分布式光纖管道監測技術屬于長距離、低靈敏度的靜態監測，對了解管道結構性能的整體(zhngt)變化趨勢較為適用。日本ANDO公司研制開發了基于BOTDR技術的光纖應變/損耗分析儀，該分析儀對光纖沿線應變信息可達到最長80km的有效檢測，測量精度和空間分辨率可達到0.003%和1m；加拿大OZ公司的ForesightTM傳感器系統可在50km測量范圍內達到2和0.1的應變和溫度測量精度，同時空間分辨率可達到10cm。分布式光纖管道監測系統通常都可以對管道應變和溫度同時進行測量，進而實現管道變形狀況的實時連續監測。4.3.2結構健康檢測結構健康監測

50、（SHM）技術起源于世紀年代，結構健康監測最初目的是進行結構的荷載監測，隨著工程大型化、復雜化的發展和結構整體檢測的要求，結構健康監測技術涵蓋了結構損傷診斷、結構安全預警、結構健康狀態評估、結構剩余壽命預測和結構損傷的自動修復等多種功能16。隨著結構體型趨向大型化、復雜化，一些傳統傳感器特別是結構應變傳感器，如電阻應變計、振弦式應變計，其復雜的信號傳輸線路為結構健康監測的集成帶來較大難度。因此，便于集成、便于安裝、精度高、穩定性好的的智能化傳感器得到越來越廣泛的應用，其中分布式光纖傳感器是目前結構健康監測領域的研究熱點之一17。自從Mendez18等人于1989年最早提出了將光纖傳感器用于鋼前

51、混凝土結構應變檢測之后，出現了越來越多的新型傳感器并付諸于土木工程結構健康監測中。其中分布式光纖傳感系統是目前應用較為普遍的傳感器。國內也有很多高校企業在做相關研究，并取得了一定的進展，例如浙江大學金偉良基于BOTDA的鋼筋銹蝕混凝土開裂全過程監測基礎理論研究。4.3.3光纖傳感技術在工程應用的發展趨勢13,14： （1）系統集成技術在一個安全監測工程中可以獲取被測對象的全面信息，從而有助提高監測的準確性。（2）組網技術將網絡技術應用于多點式和分布式 光纖傳感器系統，組成新型的光纖傳感測量網絡，與 因特網，無線網結合起來，組成智能傳感通信網絡 技術。（3）重大工程安全(nqun)監測中，根據實

52、際工程，結合傳 感數據，進行模擬和仿真研究。以獲得最大著力點、 最大熱點和溫度場、應力應變場分布，進一步獲得最佳監測和預警方案。4.4 安防隨著經濟(jngj)迅速發展和治安狀況愈加復雜，一些重大工程項目和重點保護區域，如機場，火車站，軍區等，都對安防提出了很高要求。而傳統安防技術存在 性能差，誤報率高，容易遭受雷擊，使用銅纜等缺點，光纖周界防范系統可以有效地克服現行周界安防系統的缺點，而且還具有監控距離長，無電磁輻射，抗干 擾能力強，可靠性高，工程施工相對簡單等優點，是當 今安防市場發展的主流方向。目前正在運行的光纖傳感安防系統，都是采用(ciyng)光 纖傳感和視頻監控、紅外對射混合使用的

53、手段，且這 種混合組網安防技術會存在相當長的一段時間。4.5 石油工業領域19光纖傳感技術的出現極大的豐富了油田的測試領域。近年來，分布式光纖傳感技術的發展已趨于成熟，目前雖然光纖傳感技術還未廣泛地應用于油田開發領域，但它作為一種有著巨大潛力的新技術，必將廣泛應用于石油開發領域并發揮巨大作用。光纖傳感器技術是改變石油產業游戲規則的關鍵技術，光學油田將是未來油田發展的必然趨勢。4.6 復合材料領域近年來分布式光纖檢測技術在復合材料中的應用受到高度重視。在復合材料中埋入光纖,從而賦予結構智能功能,以監控結構的制造過程及運行狀態。為了精確地確定應力點位置與應力大小,目前發展了POTDR(偏振光時域反射)、OCDR(光相干域反射)、OFDR(光頻域反射)和FMCW(調頻載波)等技術,POTD是在OTDR基礎上發展起來的技術,與OTDR相似,它需要高功率短脈沖技術,且其空間分辨率較低。FMCW技術實質上是一種OFDR技術,可以獲得比POTDR高的空間分辨率,但受頻率掃