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一、前言

傳感技術(shù)是指能夠感知和檢測(cè)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(lái)講,傳感技術(shù)是一種測(cè)量手段，利用信號(hào)與信號(hào)之間明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以一定精度進(jìn)行信號(hào)的傳輸、轉(zhuǎn)換及處理，從而滿足系統(tǒng)信息傳輸、存儲(chǔ)、顯示、記錄及控制等要求。

近幾十年來(lái)，隨著半導(dǎo)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(jìn)，光纖傳感技術(shù)也得到迅速發(fā)展起來(lái)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(cè)量信號(hào)。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(cè)量形成一定關(guān)聯(lián)關(guān)系，得到被測(cè)物理溫度、應(yīng)變、振動(dòng)等變化量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多種物理量的測(cè)量，比如可實(shí)現(xiàn)是對(duì)管線安全監(jiān)測(cè)，包括管道泄漏監(jiān)測(cè)、漏損滲漏監(jiān)測(cè)、管道沉降監(jiān)測(cè)、PCCP斷絲檢測(cè)，對(duì)光纜的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障定位，輸電線路覆冰、強(qiáng)風(fēng)、舞動(dòng)等災(zāi)害的預(yù)警具有重要作用。

二、優(yōu)勢(shì)

     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(cè)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(yīng)惡劣環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且光纖元件本身既是探測(cè)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(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)與測(cè)量，利于智能化、集成化發(fā)展。在大型結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)、航空航天、環(huán)境能源等眾多領(lǐng)域均有非常廣闊的應(yīng)用前景。優(yōu)勢(shì)具體體現(xiàn)：

(1)高靈敏度；

(2)輕細(xì)柔韌便于安裝埋設(shè)；

(3)電絕緣性及化學(xué)穩(wěn)定性。光纖本身是一種高絕緣、化學(xué)性能穩(wěn)定的物質(zhì)，適用于電力系統(tǒng)及化學(xué)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(wú)源的敏感元件，故應(yīng)用于測(cè)量中時(shí)，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(huì)受到電磁噪聲的影響；

(6)可分布式測(cè)量。一根光纖可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離連續(xù)測(cè)控，能準(zhǔn)確測(cè)出任一點(diǎn)上的應(yīng)變、損傷、振動(dòng)和溫度等信息，并由此形成具備很大范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)區(qū)域，提升對(duì)環(huán)境的檢測(cè)水平；

(7)使用壽命長(zhǎng)。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(duì)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(diǎn)的信息，并且通過(guò)復(fù)用技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式的光纖傳感器監(jiān)測(cè)。

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(dòng)與聲音的檢測(cè)）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(cè)振動(dòng)與聲音信號(hào)；(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(cè)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(yīng)變與溫度的雙參數(shù)測(cè)量。

四、解析

（1）、基于瑞利散射的分布式光纖聲波振動(dòng)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(qiáng)來(lái)探測(cè)音頻范圍內(nèi)的聲音或振動(dòng)等信號(hào)，不僅可以利用相位幅值大小來(lái)提供聲音或振動(dòng)事件強(qiáng)度信息，還利用線性定量測(cè)量值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音或振動(dòng)事件相位和頻率信息的獲取。DAS可以認(rèn)為是一個(gè)移動(dòng)干涉式聲波傳感器在傳感光纖探測(cè)外界信號(hào)，當(dāng)聲音或振動(dòng)引起該位置干涉光相位的線性變化，通過(guò)提取該位置不同時(shí)刻的干涉信號(hào)并解調(diào)，就可實(shí)現(xiàn)外界物理量的定量測(cè)量。

分布式聲波傳感或者語(yǔ)音傳感采用沿軸向連續(xù)后向散射增強(qiáng)的微結(jié)構(gòu)光纖，基于光相干探測(cè)的微結(jié)構(gòu)光時(shí)域反射傳感技術(shù)，能夠連續(xù)記錄長(zhǎng)距離光纖沿線的聲波信號(hào)傳遞和聲場(chǎng)空間分布。利用該原理ZUI小可探測(cè)應(yīng)變可達(dá)亞納應(yīng)變，響應(yīng)頻帶覆蓋0-100khz聲音，可應(yīng)用于地震波、微振動(dòng)等的分布式測(cè)量，在資源勘探、地震監(jiān)測(cè)、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(lǐng)域中廣泛應(yīng)用（運(yùn)用場(chǎng)景可參考http://9k567.cn/article/26.html。），光纖語(yǔ)音還原距離達(dá)到50km，振動(dòng)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(qiáng)對(duì)光纖的損耗敏感性極為不穩(wěn)定，如果長(zhǎng)期使用瑞利散射光作為測(cè)溫系統(tǒng)的參考信號(hào)，勢(shì)必將導(dǎo)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(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行的危險(xiǎn)，因此在系統(tǒng)參考信號(hào)的選擇時(shí)選取對(duì)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(dòng)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比光源波長(zhǎng)長(zhǎng)的光——斯托克斯 （Stokes）光和一個(gè)比光源波長(zhǎng)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)對(duì)沿光纖溫度場(chǎng)的分布式測(cè)量，結(jié)合高品質(zhì)的脈沖光源和高速的信號(hào)采集與處理技術(shù)，就可以得到沿光纖所有點(diǎn)的準(zhǔn)確溫度值。其原理可參考http://9k567.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(yīng)，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(shí)，由于電致伸縮效應(yīng)，產(chǎn)生聲波，聲波反過(guò)來(lái)調(diào)制光纖的折射率，相當(dāng)于隨聲波移動(dòng)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(yīng)，頻率下移生成斯托克斯光。在量子力學(xué)中，受激布里淵散射效應(yīng)又可以看成是一個(gè)泵浦光子的湮滅，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)聲學(xué)聲子和斯托克斯光子的過(guò)程。

解調(diào)發(fā)出泵浦光和探測(cè)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(dāng)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(yīng)，能量從泵浦光向探測(cè)光發(fā)生轉(zhuǎn)移，使探測(cè)光的受到增益，背向散射的探測(cè)光的時(shí)域分布反映出光纖各位置點(diǎn)所受布里淵增益的情況，測(cè)得光纖各點(diǎn)的布里淵頻移值，即可由測(cè)得光纖各點(diǎn)所受應(yīng)變和溫度值。其它原理及運(yùn)用可參考http://9k567.cn/article/24.html。

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

五、總結(jié)

     近年來(lái), 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(fù)合材料、化工、醫(yī)療、智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)、智能移動(dòng)終端等領(lǐng)域受到越來(lái)越多地重視和應(yīng)用，分布式光纖傳感技術(shù)解決方案市場(chǎng)規(guī)模也將持續(xù)保持增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。隨著分布式光纖傳感系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)需求的不斷增加，光纖傳感器未來(lái)將會(huì)朝著更加智能化、實(shí)用化、多用途、新型化、低成本的趨勢(shì)發(fā)展，分布式光纖傳感系統(tǒng)技術(shù)是迅猛發(fā)展起來(lái)的技術(shù)之一，它與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。生物醫(yī)學(xué)、水下應(yīng)用、軌道交通、土木工程、智能電網(wǎng)、安全應(yīng)急、油氣資源、環(huán)境監(jiān)測(cè)被稱為八大主要應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用、光纖光柵傳感器、分布式光纖傳感器、光纖生物、化學(xué)和醫(yī)學(xué)傳感器，水下技術(shù)及應(yīng)用、軌道交通、土木工程基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)、智能電網(wǎng)、激光/光纖傳感器安全應(yīng)急、油氣資源領(lǐng)域、資源環(huán)境監(jiān)測(cè)等主要專題。