光纖傳感的后起之秀

張錦龍　王擁軍　田鳳　張鄭琰

摘要隨著對光纖中非線性效應研究的不斷深入，光纖分布式傳感器得到了廣泛的研究和應用.本文介紹了光纖傳感的應用領域，綜述了基于布里淵散射、拉曼散射及瑞利散射3種散射光實現不同類型光纖分布式傳感的原理，最后從光纖分布式傳感優勢方面對其未來發展方向進行了展望.

關鍵詞光纖光學；分布式傳感；光散射；周界安防

中圖分類號TN253

文獻標志碼A

0引言

光纖是光波的傳輸媒介，是現代信息網絡的基石，在通信領域中用于信息交換.但光纖本身屬于一種物理媒介，外界環境的變化可以影響光纖的幾何參數和光學參數，而這些參數的變化與外界環境存在一定規律，由此產生了光纖傳感技術.光纖傳感器作為傳感器中一支新秀，以其抗電磁干擾能力強、電絕緣、易于組網、能夠進行分布測量等許多獨特優勢，解決了許多傳統傳感器無法解決的問題，且能夠在極端惡劣條件下使用，因此在多個領域受到世界各國的關注并日益顯現出其重要作用[15].

光纖傳感器的經典之作光纖光柵傳感器、光纖陀螺等已在軍事、地質勘探、電力等部門得到推廣應用.近年來，光纖傳感器逐步向分布式、智能化和網絡化方向發展.光纖分布式傳感器作為光纖傳感家族的后起之秀，因其獨特的應用環境而備受青睞.光纖分布式傳感的核心技術是實現分布式測量，就是使用一根或多根光纖實現長距離連續測量，并能夠準確給出某一點上的應變、損傷、振動或溫度等信息變化，能夠實現大范圍的監控.其中基于非線性光學散射機理的長距離分布式傳感，光纖既充當傳感器又充當信號傳輸通道，因此具有非常突出的優勢，是監測領域上主要的研究方向.基于散射的分布式傳感，監測距離可達到幾十千米，分辨率高、響應速度快，又可用于各種特殊場所，因此受到研究者的關注和研究[67].

1分布式光纖傳感原理

由于制作工藝和精度的限制，導致光纖的折射率并不絕對均勻.當光通過不均勻介質時，一部分會偏離原傳播方向的現象稱為光的散射[8].根據入射光頻率和散射光頻率的關系將光的散射分為3類：瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射.檢測不同的散射光則可實現不同類型的分布式光纖傳感器[9].

11基于瑞利散射光的分布式光纖傳感器

光纖纖芯折射率的不均勻性導致了瑞利散射，這種不均勻性的產生是光纖制造工藝不完善或光纖微觀上的不穩定性造成的，這是不可避免的，因此瑞利散射不可能消除.量子力學機制解釋為：通過某一虛能級的躍遷過程使一個入射光子轉換成一個能量與入射光子相同的散射光子[7].20世紀70年代，Barnoski等[10]根據光纖后向瑞利

學報（自然科學版），2017，9（2）：174178Journal of Nanjing University of Information Science and Technology（Natural Science Edition），2017，9（2）：174178

張錦龍，等.光纖傳感的后起之秀——分布式傳感.

ZHANG Jinlong，et al.

A rising star in fiber optic sensor：Distributed sensor.

散射光的特點成功研制出光時域反射計（Opitcal TimeDomain Reflectometry，OTDR）.光時域反射計通過測量瑞利散射的后向散射信號，從而得到光纖上散射的強弱分布.OTDR常用于光纖斷點診斷和光纖的光損耗情況分析.基于瑞利散射的 OTDR 技術雖最早被研究并投入使用，但由于測量精度較低，且很難實現長距離檢測，因此工程中很少應用.

在OTDR基礎上，人們提出了基于相位敏感光時域反射計（ΦOTDR）的分布式光纖傳感系統[9，11].ΦOTDR光源采用了超窄線寬激光器，光相干度較高，它既具有干涉型振動傳感的高靈敏度，又具有 OTDR 的分布式實時監測能力.ΦOTDR 除具有分布式光纖傳感技術的一切優勢之外，還具有空間分辨率高、定位精度高、多點同時定位等優勢，是目前最適合邊界安防的技術[7，11]，因此近年來該技術成為國內外的研究熱點.

12基于布里淵散射光的分布式光纖傳感器

布里淵散射（Brillouin Scattering）是指入射到光纖中的光波與光纖內的彈性聲波發生相互作用而產生的一種光散射現象.基于布里淵散射的分布式光纖傳感就是利用其背向散射信號實現對外界物理量的測量的[12].當激光功率達到布里淵散射閾值時，隨之產生背向布里淵散射光信號.由于布里淵散射光與泵浦光的頻移量與傳感光纖溫度和所受應力成正比，故檢測布里淵散射頻移量可以用來測量溫度和應力，從而實現溫度和應力分布式傳感.實際應用中，先測量出背向布里淵散射光的強度和頻率，再根據相關參數得到傳感光纖的應變及溫度情況.目前基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術研究難點在于自發布里淵信號相比瑞利散射非常微弱，還與瑞利散射光的波長非常接近.如何濾掉瑞利散射以提取自發布里淵散射是學者們研究的重中之重[11].

泵浦光和散射光發生干涉效應會激發聲波場，聲波場會反過來增強布里淵效應，如此反復循環從而產生受激布里淵散射（SBS）.基于受激布里淵散射的分布式光纖傳感依據機制不同分為兩種傳感方式：一為布里淵增益型，產生機制為脈沖光的頻率高于連續光的頻率，脈沖光的能量向連續光轉移，這種傳感方式的缺點是僅適用于短距離傳感；二為布里淵損耗型，產生機制與增益類型相反，脈沖光頻率低于連續光，連續光的能量向脈沖光轉移，這種傳感方式克服了增益型的缺點，實現了長距離傳感，適用于大范圍監測系統.基于受激布里淵散射的分布式光纖傳感技術中探測器接收到的光強大小與脈沖光和連續光的頻率之差相關，當兩束光的頻差等于光纖各點的布里淵頻移時，接收到的光強最大.因此可以通過掃描探測光波長實現布里淵頻移的測量，從而實現傳感光纖各點溫度和應變分布式傳感[11，1314].BOTDA系統最突出的優勢是散射信號強，大大降低了信號解調的難度，且可用于長距離傳感，測量精度高；缺點是系統結構復雜，任意器件的參數變化都會引起整個系統性能改變，實際使用中很難使系統穩定下來.而且該系統需要雙端激光注入傳感光纖，不僅提高了成本，而且工程應用不方便.

13基于拉曼散射光的分布式光纖傳感器

拉曼散射是由泵浦光子與光纖中的光學聲子相互作用而產生的一種非彈性散射，會產生兩種強度相當的頻率成分，一為泵浦光子吸收光學聲子的反斯托克斯光，二為泵浦光子釋放光學聲子的斯托克斯光[11].在拉曼散射光中，斯托克斯光光強幾乎不受光纖軸向溫度變化的影響，而反斯托克斯光光強隨溫度變化而變化.將兩束光強做對比，再根據光強與溫度變化的對應關系即可得到光纖各點溫度.拉曼散射信號是極其微弱的，因此給解調技術提出了很高的要求.另外微弱的散射信號，對于長距離傳感來說，實現起來也是非常困難的.

2分布式光纖傳感應用領域

光纖傳感領域主要有兩個大的發展方向：原理研究和應用開發.隨著技術日趨成熟，對傳感器的實用化開發成為整個領域發展的熱點和關鍵.分布式光纖傳感器以其獨特的優勢，適用于傳統電學傳感器無法發揮作用的惡劣環境及工況下.其重要應用領域如下：

21石油石化領域

分布式光纖傳感器可應用于火災安全監測預警系統，能滿足石油石化領域對火災報警及安全監測的需求.我國制訂的《線型光纖感溫火災探測器》國家標準，為分布式光纖傳感技術在石油石化領域應用的技術革新提供了方向.石油井下往往存在高溫、高壓、腐蝕和電磁干擾等惡劣環境，傳統電學傳感器無法工作.分布式光纖傳感器可以在這種極端條件下正常工作，包括高溫、高壓（幾十兆帕以上）以及強烈的沖擊與振動，同時因其具有分布式測量能力，可以測量被測參數的空間分布，確保完成測量.分布式光纖傳感技術在天然氣儲運、罐區火災報警、管道泄漏監測、管道第三方破壞等領域也具有廣闊的應用前景[15].

22冶金、煤礦領域

將分布式光纖傳感器深入到幾百米的煤礦礦井，就可用于監測瓦斯濃度、溫度、震動、礦壓等數據.因為光纖傳感只傳光、不帶電，在煤礦這樣的特殊場所，就成了安全的“聽診器”，可以為煤礦安全生產進行預防和診斷.目前冶金領域也采用了高壓分布式光纖傳感器，填補了該領域的技術空白.基于光譜吸收傳感技術的光纖傳感綜合安全監控系統可以在數十千米范圍內對瓦斯濃度、礦壓、水壓、溫度和地震波等進行監測，并可以形成煤礦綜合安全信息監測網，有效提高瓦斯預報的準確性和前瞻性，對于減少瓦斯爆炸事故、減少人員傷亡具有重大意義[16].

23智能電網領域

隨著智能電網的建設，對配電網電纜運行狀態實時監測的要求越來越高，研究新型傳感與測量技術并應用于智能配電網中的電纜監測已成趨勢.采用分布式光纖測溫技術對電纜實時監測，建立相應的負荷溫度曲線，可以實現對電纜運行溫度的監控.

針對電力市場領域的分布式光纖測溫系統、變壓器油溫測量系統等，可用于監視電廠設備，以滿足電力自動化建設的需要.為了能夠在電力系統中提供連續高空間分辨率的監視，需要采用分布式光纖溫度傳感器系統[1617].

24交通隧道領域

基于分布式光纖傳感器的隧道結構監測和火災報警監測系統非常適用于交通隧道領域.如城市地鐵隧道中，要求傳感系統抗電磁干擾、組網便利且有較高的傳輸帶寬.將分布式光纖溫度傳感器應用在地鐵隧道火災預警系統，能夠及時有效地監測地鐵隧道的溫度變化，為地鐵隧道火災預警和定位提供強有力的技術保障[16].

25土木工程領域

土木工程和基礎設施在使用過程中，由于服役時間長、環境惡劣、疲勞效應和材料老化等原因，其結構將不可避免地產生抗力衰減或損傷積累，為突發災難性事故埋下隱患.針對重大工程和基礎設施的健康監測和診斷是貫穿整個工程生命周期的工作[1819].從工程施工、運營管理一直到拆除都需要準確、全面地測量結構的參數信息.傳統的傳感監測系統獲取的結構參數信息容易漏檢，不能完全反映實際狀態，而且壽命較短.分布式光纖傳感器恰當地解決了這些問題，為大型設施智能健康監測系統的研發提供了嶄新的途徑，適合長期實時監測土木工程結構.

26周界安防領域

隨著恐怖分子活動日益頻繁、人口流動量急劇上升，對安防體系能否實時監控預警提出了更高要求.其中周界安防作為第一道防線，顯得尤為重要.周界安防系統既要能對各種入侵事件及時響應，又要有長距離監控、高精度定位、高抗電磁干擾等特性，這就出現了光纖周界監控預警系統[20].該系統是基于分布式傳感技術的安全報警系統，它將光纜作為傳感傳輸二合一的器件，通過對直接觸及并傳遞給光纜的各種擾動，進行實時監控.采集擾動數據后可以智能識別，判斷出威脅的來源，實現系統預警和實時告警，從而對入侵設防區域的威脅行為進行監測和預警.

27海底檢測領域

海底管道是海上油氣運輸的主要形式，而海底管道運行于海底，工作條件較陸地管道更加惡劣，歷史上曾多次發生海底管道破壞事故.一旦發生事故，原油泄漏將污染海洋環境，后果非常嚴重，因此海底管道安全運行迫切需要實時監測設備.海底惡劣的環境令電類傳感器望而止步，分布式光纖傳感技術則在海底管道監測中被廣泛利用.海底電纜由于接觸船舶的錨和漁具等，不可避免外傷損壞，因此檢測由外傷引起的海底電纜變形也是一項重要工作.同時海底電纜的工作纜溫也必須實時監測[2122].采用分布式光纖傳感系統，只需施工時隨海底電纜敷設傳感光纖就可提供整條電纜的運行溫度和應變信息，有效地預防和定位海底電纜安全事故.

3國內外研究現狀

分布式光纖傳感器因其與眾不同的特性和應用環境，一直備受矚目.特別是光纖傳感器逐步成熟并開始應用于廣闊的市場，其研究和開發在世界范圍內引起了高度關注.預計2018年光纖傳感器市場規模將達到433億美元.從光纖傳感技術研究上看，美國的研究起步最早，在軍事和民用領域的應用方面都是世界最先進的.在軍事方面，他們重點研究和開發用于水下探測和航空監測的分布式光纖傳感器等.這些研究都分別由美國空軍、海軍、陸軍和國家宇航局的支持并有許多大公司的資助.同時美國的很多大學、研究單位和公司都開展了光纖傳感器在民用方面的研究和開發，如斯坦福大學、弗吉尼亞理工大學、Babock & Wilcox公司、Accufiber公司、FidberdyElamies公司、EOTcc公司、Optical技術公司等，他們研發的分布式光纖傳感器用于監測電力系統的電流、溫度等重要參數，監測橋梁和重要建筑物的應力變化，檢測肉類和食品的細菌和病毒等.數據顯示目前美國光纖傳感器民用領域的研究開發已大大超過軍用領域.

日本和西歐等發達國家也高度重視光纖傳感器的研究與開發.日本在20世紀80年代便制定了“光控系統應用計劃”，該計劃旨在將光纖傳感器用于大型工廠，以解決強電磁干擾和易燃易爆等惡劣環境中的信息測量、傳輸和生產過程的控制.東芝、日本電氣等公司和研究機構，研發出了具有一流水平的民用光纖傳感器組成光纖傳感器網絡系統，把分散在工廠各場所的信息進行時序化處理，并以全光方式收集.這種網絡裝置可連接1 000個以上的傳感器.西歐各國的大型企業和公司也積極參與了光纖傳感器的研究與開發和市場競爭，如英國的標準電訊公司、法國的湯姆遜公司和德國的西門子公司等.

我國光纖傳感器行業前些年主要以學術研究為主，產業化程度較低，近些年國內光纖傳感器生產企業快速發展，很快進入產業化階段.國家“863”計劃以及“973”計劃也開始重視全分布式光纖傳感技術領域，表明了基于全分布式光纖傳感技術的光纖傳感網絡將是未來的主要研究方向[23].光纖傳感器行業的發展重心由科研機構轉向生產企業，產生了一批具有競爭力的企業.為了扭轉產業發展對國外技術嚴重依賴的局面，在光纖傳感產業前瞻性技術、核心技術等方面增強我國產業自主發展能力，國家發展改革委員會批準建設了光纖傳感技術國家工程實驗室.目前國內從事光纖傳感器產業化的公司在各個領域進行了大量的研究，其中相當數量的研究成果具有很高的實用價值并達到世界先進水平.

4未來發展趨勢

只有在應用領域獲得突破才能促進技術發展，分布式光纖傳感的應用正以蓬勃之勢在各個行業領域展開，產生了巨大的經濟效益[9].目前，我國分布式光纖傳感技術已接近世界先進水平，有充足的發展空間和應用環境.特別是極限性能和惡劣環境下，分布式光纖傳感器扮演著重要角色，近年來發展的速度超過了點式的傳感器.分布式適合大型結構，它的獨特性能幾乎不可代替，是今后光纖傳感的發展方向.此技術的應用將加速我國物聯網和智慧城市建設的發展，其應用必將帶來愈來愈大的經濟效益.經過30多年的技術沉淀及市場發展，我國光纖傳感器市場產業化格局已經形成.從單一的技術推廣逐步轉向成熟的整體解決方案，一批具有先進技術的中小型高新技術企業群體正在形成并推動我國光纖傳感市場的蓬勃發展.因此，我們有理由對光纖分布式傳感器的未來充滿信心.

參考文獻

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AbstractWith the deepening study of nonlinear effect in optical fiber，the distributed optical fiber sensor has been widely studied and applied.In this paper，the application of optical fiber sensor is introduced.To realize different types of fiber distributed sensing，the principle of three kinds of scattered light based on Brillouin scattering，Raman scattering，and Rayleigh scattering is summarized.Finally，the future development direction of fiber distributed sensing is prospected.

Key wordsfiber optic；distributed sensor；light scattered；perimeter security