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概述

光纖本身不帶電，體積小，質量輕，易彎曲，抗電磁干擾，抗輻射性能好，可以在傳統傳感器不支持的（如易腐蝕、高溫高濕等）惡劣環境中工作。因此，光纖傳感技術一經問世就受到了極大重視，在各個領域得到了研究與應用。光纖傳感有多種解調技術，容易混淆，本文對幾種常見光纖傳感技術進行簡單梳理，并將OFDR技術與其他技術作對比，希望對大家有幫助。

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幾種常見光纖傳感技術

不同于傳統傳感器是獨立個體，光纖傳感器可以在一根光纖上串聯多個傳感單元，組成監測網絡。根據傳感單元布局設計的差異，光纖傳感技術可分為多點式、準分布式和分布式三大類。

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點式光纖傳感技術

光纖光柵（FBG）是常見的一種點式傳感器。FBG是通過一定方法（如紫外刻寫）使光纖纖芯的折射率產生周期性分布，它對波長具有選擇性，能夠使特定波長的光反射，而使其他光透過。

圖1??FBG結構及波長選擇性

FBG波長的表達式為：

式中為FBG中心波長，為纖芯有效折射率，為光柵周期。當FBG所處環境溫度或應力變化，外力作用下會導致或改變，從而引起FBG中心波長的移動。 ? 將待測FBG連接至光纖光柵解調儀上，通過光譜分析測量加載前后的FBG中心波長的平移，平移量可以通過傳遞系數轉換為被測物理量，進而實現對FBG位置處的應變、溫度或壓力的測量。

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準分布式光纖傳感技術

在一根光纖上串聯或制作多個FBG比較容易，因此光纖光柵解調儀可采用復用技術實現準分布式測量。如波分復用技術，在一根光纖上串聯多只FBG，每只FBG波長不同，系統采用寬帶光源和波長檢測儀，可得到每只FBG的中心波長，實現單通道多點測量。同時還可以結合光開關，將光信號分給不同通道，進而實現多通道解調，即空分復用技術。除此之外，還有波分和時分復用結合的技術，相同波長的FBG在光纖中的位置不同，其反射光到達探測器時間不同，可以等時間間隔采樣進行區分，結合波分復用，可實現對大規模的光纖光柵陣列的解調。

圖2 準分布式光纖傳感技術

受限于光源帶寬、單個FBG傳感波長移動范圍和相鄰FBG反射光譜之間的相互影響，目前光纖傳感中FBG傳感點數量有限，空間分辨率受限，傳感點之間存在監測盲區。

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分布式光纖傳感技術

分布式光纖傳感技術（DOFS）采用光纖做傳感介質和傳輸信號介質，通過測量光纖中特定散射光的信號來反映光纖自身或所處環境的應變或溫度的變化，一根光纖可實現成百上千傳感點的同時測量。分布式光纖傳感技術無盲區，突破了FBG解調復用傳感單元數量限制和空間分辨率限制，因而稱為分布式測量。

圖3 光纖中的后向散射

當一束光波射入光纖后，光纖中會產生后向散射光（見圖3），常見有瑞利散射光、拉曼散射光和布里淵散射光，三種散射效應如圖4所示。?

圖4 光纖中三種散射

瑞利散射光為彈性散射，光頻率在散射過程中不會發生漂移。但當被測光纖置于溫度場或應變場中時，受外力作用下光纖內部的折射率分布發生變化，導致光纖的瑞利散射信號光譜分布在距離域上發生平移。

布里淵散射過程是入射光、斯托克斯光和聲波場的三波耦合過程。由于聲波場的衍射作用，入射光的能量會向斯托克斯光轉移。入射光和斯托克斯光之間存在一定頻差，稱為布里淵頻移。因為頻移是溫度和應變的函數，所以可以通過測量布里淵頻移實現對溫度和應變的測量。

拉曼散射過程是由于光纖分子的熱振動和光子相互作用發生能量交換而產生的。如果一部分光能轉換成熱振動，將發出一個比光源波長長的光，為斯托克斯光；如果一部分熱振動轉換為光能，將發出一個比光源波長短的光，為反斯托克斯光。根據拉曼散射理論，兩束反射光的光強與溫度有關，可以借助反斯托克斯與斯托克斯光強之比來實現對溫度的測量。

分布式光纖傳感技術是利用光纖中的散射機制，通過測量光纖中的散射信號的變化，實現對外界物理量的測量。常見分布式光纖傳感技術有基于瑞利散射的OFDR技術、DAS技術，基于拉曼散射的ROTDR技術，基于布里淵散射的BOTDR、BOTDA和BOFDA技術。

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OFDR與其他光纖傳感技術差異

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OFDR技術與FBG解調技術的差異

1）傳感器調解原理類似。光纖光柵解調儀是解調FBG中心波長的平移，OFDR技術是解調光纖中各位置瑞利散射信號的頻移，兩者溫度/應變變化與波長或頻移的函數關系相同。

2）分布式與準分布式的差異。光纖光柵解調儀是準分布式測量，傳感點數有限，相臨的傳感單元之間存在監測盲區；OFDR解調是高分辨率分布式測量，無監測盲區，具有海量的傳感密度。

3）使用成本。解調儀方面，相對于OFDR解調儀，光纖光柵解調儀的成本低很多；傳感器方面，OFDR技術使用普通單模光纖作傳感器，價格便宜，FBG傳感器因不同波長及封裝方式，價格差異較大，特殊FBG價格高昂。

4）測量范圍。通常FBG傳感器應變測量范圍為幾千微應變，OFDR解調技術具有更大應變測量范圍，可達10000微應變以上。

5）傳感器布設。FBG解調技術用戶要提前預判，將FBG傳感器布設在目標位置，FBG若不在目標位置，可能測不到有效結果；OFDR是分布式測量，可以布設并測量整根光纖的分布結果。相對來說，OFDR單次測量成功率高，而且可獲得目標區域應變或溫度的局部差異。

6）OFDR技術還可解調弱反射光纖光柵陣列。OFDR技術通常是使用普通單模光纖作傳感器，但OFDR也能解調全同弱反射光纖光柵陣列，通過獲得更高的信噪比、進一步提升測量穩定性和抗干擾能力。

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OFDR技術與其他分布式技術的差異

分布式光纖傳感技術根據光纖散射原理可分為三類：基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術，基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術和基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術；從光學信號測試方法的不同還可細分為：光時域反射技術（OTDR）和光頻域反射技術（OFDR）。幾種常見分布式光纖傳感技術的對比見下表所示。

表1 分布式光纖傳感技術分類與對比

OFDR技術傳感長度約100米，空間分辨率mm/cm量級（以1mm為例，相當于1m光纖同時測量1000個傳感點），測量精度可達±0.1℃±1με，適合于短距離、高分辨、高精度的應變溫度測量領域，如土木結構健康監測，復合材料疲勞檢測，新能源汽車電池組溫度監測等。

OTDR/DAS技術傳感距離幾十公里，甚至一百公里，但受限于探測光脈沖寬度，空間分辨率與動態范圍有限，難以滿足較大動態范圍和高空間分辨率的應用領域。

ROTDR技術一般測量長度約10公里，分辨率約1m左右，主要用于分布式光纖測溫，如電力電纜的表面溫度監測、事故點定位及火情消防預警等。

BOTDR、BOTDA及BOFDA技術測量范圍可達幾十公里，空間分辨率約1m左右，可用于長距離的分布式應變溫度測量，如巖土工程、石油管線健康監測，地質災害監測等。

目前，以上幾種常見分布式光纖傳感技術，在國內市場上都有商用產品在售。

編輯：黃飛

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