分布式光纖傳感技術(shù)報(bào)告 12.10

1、摘 要分布式光纖傳感技術(shù)是在70年代末提出的，在這十幾年里,產(chǎn)生了一系列分布式光纖傳感機(jī)理和測量系統(tǒng),并在多個(gè)領(lǐng)域得以逐步應(yīng)用。目前, 這項(xiàng)技術(shù)已成為光纖傳感技術(shù)中最具前途的技術(shù)之一。本文主要介紹了光纖的相關(guān)特性，分布式光纖傳感技術(shù)的特點(diǎn)、作用及其分類，詳細(xì)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(shù)的研究現(xiàn)狀和具體應(yīng)用。關(guān)鍵字：光纖 分布式光纖傳感技術(shù) 原理 研究現(xiàn)狀 應(yīng)用目 錄摘 要引 言1、分布式光纖傳感技術(shù)簡介1.1光纖基礎(chǔ)知識(shí)1) 光纖的結(jié)構(gòu)特性2) 光纖的機(jī)械特性3) 光纖的損耗特性 2、 分布式光纖傳感技術(shù)原理 2.1 基于光纖后向散射的全分布式光纖傳感技術(shù) 2.1.1

2、基于OTDR的微彎傳感器 2.1.2 基于自發(fā)拉曼散射的光時(shí)域散射型（ROTDR）傳感器 2.1.3基于受激拉曼效應(yīng)的傳感器 2.1.4基于自發(fā)布里淵散射的光時(shí)域反射型（BOTDR）傳感器 2.1.5基于受激布里淵散射效應(yīng)的傳感器1) 基于布里淵散射的光時(shí)域分析型（BOTDA）傳感器 2) 基于布里淵散射的光頻域分析型（BOFDA）傳感器3) 基于布里淵散射的光相關(guān)域分析型（BOCDA）傳感器4) 基于布里淵散射的光相關(guān)域反射型（BOCDR）傳感 2.1.6基于瑞利散射的偏振光時(shí)域反射型（POTDR）傳感器 2.1.7基于相位敏感的光時(shí)域反射型（-OTDR）傳感器2.2 長距離干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)2.

3、3 基于光纖干涉儀的準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù) 2.4 基于FBG的準(zhǔn)分布式光線傳感技術(shù)3、 分布式光纖傳感技術(shù)國內(nèi)外研究進(jìn)展4、 分布式光線傳感技術(shù)應(yīng)用實(shí)例0 引言光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的，以光波為載體、光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測量信號(hào)的新型傳感技術(shù)。作為被測量信號(hào)載體的光波和作為光波傳輸媒質(zhì)的光纖，具有一系列獨(dú)特的、其他媒介難以相比的優(yōu)點(diǎn)。第一光波不產(chǎn)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(jìn)行光電或電光轉(zhuǎn)換，易于與現(xiàn)代化裝置和計(jì)算機(jī)相匹配；第二光纖工作頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大，適合于大范圍、遠(yuǎn)距離組網(wǎng)和遙測遙控，是一種優(yōu)良的低損

4、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(yōu)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(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。分布光纖傳感技術(shù)一問世就受到極大地重視，幾乎在各個(gè)領(lǐng)域得到研究與應(yīng)用，成為傳感技術(shù)的先導(dǎo)，推動(dòng)傳感技術(shù)的蓬勃發(fā)展。1 分布式光纖傳感技術(shù)簡介1.1 光纖基礎(chǔ)知識(shí)光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱，是一種重要和常用的波導(dǎo)材料，它利用光的全反射原理將光波能量約束在其界面內(nèi)，并引導(dǎo)光波沿光纖軸線方向傳播。在將光纖作為傳感材料應(yīng)用前，需掌握光纖的結(jié)構(gòu)特性、機(jī)械特性以及損耗等特性，依據(jù)工程實(shí)際的特點(diǎn)選擇合適的傳感光纖。1

5、) 光纖的結(jié)構(gòu)特性光纖的主要結(jié)構(gòu)包括纖芯、包層、涂覆層及護(hù)套層1,其中纖芯和包層為光纖結(jié)構(gòu)的主體，對(duì)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(cuò)、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(xué)折射率稍小于纖芯材料，包層可設(shè)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(hù)套的材料一般為尼龍或其他有機(jī)材料，用于增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度，起到保護(hù)光纖的作用。光纖傳感器按照結(jié)構(gòu)特征可分為松套光纖和

6、緊套光纖，松套光纖是涂覆層以內(nèi)的結(jié)構(gòu)可在護(hù)套層內(nèi)自由移動(dòng)，可作為通信光纖或者溫度補(bǔ)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(nèi)的結(jié)構(gòu)與包層不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，該類型光纖一般用以應(yīng)變傳感。2) 光纖的機(jī)械特性普通外徑125左右的通信光纖，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(xì)裂紋，裂紋在拉力作用下會(huì)不斷擴(kuò)展2，明顯降低光纖的斷裂強(qiáng)度。因此，實(shí)際的抗拉力僅為7kg左右，但光纖的抗拉強(qiáng)度比起同樣粗細(xì)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(zhì)量研制棒等，可獲取高機(jī)械強(qiáng)度的光纖產(chǎn)品3。3) 光纖的損耗特性光波在光纖中傳輸時(shí)

7、，光功率不僅隨傳輸距離增加而呈現(xiàn)指數(shù)衰減，還存在吸收損耗、散射損耗等固有損耗。同時(shí)，傳感器鋪設(shè)過程中也存在光纖損耗的可能，如光纖彎曲時(shí)的曲率半徑過小，也會(huì)使得光纖內(nèi)的光在纖芯和包層界面上出現(xiàn)泄漏而產(chǎn)生損耗；光纖之間的連接質(zhì)量也是引起光纖損耗的重要原因，如纖軸錯(cuò)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(jī)進(jìn)行高溫熔化對(duì)接，主要經(jīng)歷纖芯保護(hù)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(xì)操作，如操作不當(dāng)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(jīng)相當(dāng)小，而彎曲、熔接操作不良等引起損耗是人為現(xiàn)象，其損耗往往

8、超過固有損耗幾個(gè)數(shù)量級(jí)，如不進(jìn)行嚴(yán)格控制將引起線路失效。1.2 分布式光纖傳感技術(shù) 光纖傳感器可用于通訊、工程、物理參數(shù)測量等領(lǐng)域，隨著技術(shù)和需求的發(fā)展，它由單點(diǎn)檢測逐漸發(fā)展成為多點(diǎn)準(zhǔn)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(xù)特性進(jìn)行測量的技術(shù)。光纖既作為傳感元件，又作為傳輸元件，可以在整個(gè)光纖長度上對(duì)沿光纖分布的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行連續(xù)測量，同時(shí)獲得被測量的空間分布狀態(tài)和隨時(shí)間變化的信息，由于分布式傳感技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍測量場中分布信息的提取，可解決目前測量領(lǐng)域的眾多難題，因此成為目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。分布式光纖傳感器的種類很多，根據(jù)監(jiān)測空間的范圍不同，主要可分為準(zhǔn)分布式光纖傳

9、感器和全分布式光纖傳感器兩類：準(zhǔn)分布式光纖傳感器是把空間上呈一定規(guī)則分布的相同調(diào)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(diào)，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(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是多個(gè)分立式光纖傳感器的復(fù)用系統(tǒng)。根據(jù)光波被外界信號(hào)調(diào)制的光波的物理特征參量的變化情況，可將光波的調(diào)制分為光強(qiáng)度調(diào)制、光頻率調(diào)制、光波長調(diào)制、光相位調(diào)制和偏振調(diào)制這幾種類型。按照尋址方式的不同，它又可以分為時(shí)分復(fù)用（TDM）、空分復(fù)用（SDM）、波分復(fù)用（WDM）、頻分復(fù)用（FDM）、偏分復(fù)用（PDM）等幾類，其中時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用和空分復(fù)用技術(shù)較為成熟，復(fù)用點(diǎn)數(shù)越多

10、。準(zhǔn)分布式光纖傳感器中常用的復(fù)用光纖傳感器主要有以相位調(diào)制型光纖干涉儀和波長調(diào)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(shí)間上變化的分布消息。它消除傳統(tǒng)傳感器存在的傳感“盲區(qū)”，從根本上突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)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(shí)域反射技術(shù)（OTDR）,另一類是基于長距離干涉技術(shù)，全分布式光纖傳感器利用一根光纖取代大量的分立傳感器進(jìn)行測量，大大降低了造價(jià)，性價(jià)比很高，得到了廣泛地應(yīng)用。2 分

11、布式光纖傳感技術(shù)原理目前分布式光纖傳感技術(shù)主要有基于光纖后向散射的全分布式光纖傳感技術(shù)、長距離干涉技術(shù)、基于光纖干涉儀的準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)以及基于FBG的準(zhǔn)分布式光線傳感技術(shù)等。目前分布式光纖傳感技術(shù)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(shù)中，基于光纖后向散射的全分布式光纖傳感技術(shù)采用的就是反射法，可分為光頻域反射法和光時(shí)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(dòng)作用時(shí)發(fā)生模式耦合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，該方法分辨力高，但測量范圍小，系統(tǒng)成本高，不利于使用化；干涉法是利用各種形式的干涉裝置對(duì)干涉光路中光波的相位解調(diào)，從而得到被測量信息的方法。

12、2.1 基于光纖后向散射的全分布式光纖傳感技術(shù)依據(jù)所監(jiān)測信號(hào)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(yīng)變傳感器。當(dāng)激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖中含有各種雜質(zhì)，導(dǎo)致激光和光纖分子出現(xiàn)相互作用，從而產(chǎn)生瑞利、拉曼和布里淵這三種散射光。如光纖沿線被測物理量發(fā)生變化，將引起散射光的頻率發(fā)生偏移，可利用光時(shí)域反射技術(shù)分析上述頻移信號(hào)，獲取被測物理量的大小、時(shí)間及空間信息。1997年Barnoski 博士首先提出了光時(shí)域反射技術(shù)OTDR（Optical Time Domain

13、 Reflection）技術(shù)，結(jié)合瑞利散射來檢測光纖沿線故障檢測，目前該技術(shù)已成為光纖領(lǐng)域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(dāng)激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，產(chǎn)生的散射光將背向發(fā)射至激光入發(fā)端，在此時(shí)域里，入射光經(jīng)背向散射返回至光纖入射端所需的時(shí)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(shí)域里，可測量得到時(shí)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(shí)間t內(nèi)計(jì)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

14、存在多種散射光類型（瑞利、布里淵、拉曼散射），依據(jù)不同的散射光分析技術(shù)可實(shí)現(xiàn)不同物理參數(shù)的分布式檢測。 2.1.1 基于OTDR的微彎傳感器4微彎型光纖傳感器是根據(jù)光纖微彎形變引起纖芯或包層中傳輸?shù)墓廨d波強(qiáng) 度變化的原理制成的全光纖型傳感器。這種傳感器主要用于對(duì)應(yīng)變、溫度等物理場的檢測。其檢測分辨率可達(dá)到0.1nm( 0.l nm=1 0-9 m) 級(jí)位移水平，檢測動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到100d B以上。微彎型傳感技術(shù)可分為亮場型和暗場型兩種。前者是通過對(duì)纖芯中的光強(qiáng)度的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)能量的轉(zhuǎn)換；而后者則檢測的是包層中的光信號(hào)。微彎型光纖傳感器的換能裝置是由一種能夠引起光纖產(chǎn)生微彎變形的部件-變形器與光

15、纖構(gòu)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(gè)鋸齒槽能夠很好地相互吻合。在二板間夾有一根光纖。當(dāng)外場對(duì)夾板的作用力F發(fā)生變化時(shí)，光纖的微彎變型幅度將隨之變化，并進(jìn)一步引起光纖中耦合到包層中的輻射模也發(fā)生相應(yīng)的變化。圖2-2 微彎光纖傳感器 2.1.2 基于自發(fā)拉曼散射的光時(shí)域散射型（ROTDR）傳感器在任何分子介質(zhì)中，光通過介質(zhì)時(shí)由于入射光與分子運(yùn)動(dòng)相互作用會(huì)引起頻率發(fā)生變化的散射稱為拉曼散射。分子吸收頻率為 V0的光子，發(fā)射V0-Vi的光子，同時(shí)分子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)（對(duì)應(yīng)為斯托克斯光）；分子吸收頻率為V0的光子，發(fā)射V0+Vi的光子，同

16、時(shí)分子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)（對(duì)應(yīng)為反斯托克斯光）。 圖2-3 拉曼散射信號(hào)量子分析由于拉曼散射由分子熱運(yùn)動(dòng)引起，所以拉曼散射光可以攜帶散射點(diǎn)的溫度信息，而且反斯托克斯光的幅度強(qiáng)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(jié)果消除了光源波動(dòng)、光纖彎曲等因素的影響，只與沿光纖的溫度場有關(guān)，因此可長時(shí)間保證測溫精度。 注意由于自發(fā)拉曼散射光一般很弱，所以必須采用高輸入功率，且需對(duì)探測到的后向散射光信號(hào)取較長時(shí)間內(nèi)的平均值。圖2-4 基于自發(fā)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(yīng)的傳感器強(qiáng)泵浦脈沖注入單模光纖，在斯托克斯波長

17、下，與光纖另一端注入的連續(xù)探測光相互作用產(chǎn)生非線性效應(yīng)受激拉曼效應(yīng)。根據(jù)受激拉曼效應(yīng)的強(qiáng)度可以測量應(yīng)變、壓力等外力場。 2.1.4基于自發(fā)布里淵散射的光時(shí)域反射型（BOTDR）傳感器在BOTDR中測量的是布里淵散射信號(hào)與布里淵散射光頻率相關(guān)的光纖材料特性主要受溫度和應(yīng)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(shí)現(xiàn)分布式溫度、應(yīng)變測量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(fā)出的連續(xù)光被耦合器分成兩部分，一部分由電光調(diào)制器調(diào)制成脈沖光，入射到傳感光纖，另一部分作為本振光進(jìn)入?yún)⒖脊饴贰Ｓ擅}沖光產(chǎn)生的背向散射光進(jìn)入光電檢測器與本振光進(jìn)行

18、相干檢測，取出差頻分量，即布里淵頻移信號(hào)，對(duì)布里淵頻譜進(jìn)行分析即可得到布里淵參數(shù)的變化，從而解調(diào)出溫度和應(yīng)變信息，背向散射光與脈沖光之間的時(shí)延提供了對(duì)光纖位置信息的測量。 2.1.5基于受激布里淵效應(yīng)的傳感器 （1）基于 BOTDA 的分布式光纖傳感技術(shù)基于微波外調(diào)制的單激光器環(huán)形BOTDA系統(tǒng)，用耦合器將光源分為兩路或者根據(jù)需要將2根光纖對(duì)來實(shí)現(xiàn)單端入射，以此簡化設(shè)備，減少測量時(shí)間，并能達(dá)到較高的測量精度。基于微波外調(diào)制的BOTDA光纖傳感系統(tǒng)如圖2-6：圖2-6 基于微波外調(diào)制的BOTDA光纖傳感系統(tǒng)系統(tǒng)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

19、號(hào)由電光調(diào)制器（EOM1）調(diào)制成脈沖光，經(jīng)過摻鉺光纖放大器放大，光柵濾除EDFA產(chǎn)生的自發(fā)輻射噪聲后進(jìn)入傳感光纖。耦合器的另一路光信號(hào)由EOM2調(diào)制產(chǎn)生約11 GHz頻移。當(dāng)光纖中相向傳輸?shù)膬陕饭獾念l率差與光纖的布里淵頻移一致時(shí)，受激布里淵散射作用最強(qiáng)。探測光通過環(huán)形器進(jìn)入光電檢測器檢測， 再由高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備（A/D）和計(jì)算機(jī)進(jìn)行疊加平均和頻譜擬合， 就可確定光纖各段布里淵增益達(dá)到最大時(shí)所對(duì)應(yīng)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(guān)系的溫度和應(yīng)變， 從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)變或溫度的分布式測量。 （2）基于 BOFDA 的分布式光纖傳感技術(shù)BOFDA 是基于測量

20、光纖的傳輸函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)測量點(diǎn)定位的一種傳感方法。這個(gè)傳輸函數(shù)把探測光和經(jīng)過光纖傳輸?shù)谋闷止獾膹?fù)振幅與光纖的幾何長度關(guān)聯(lián)起來，通過計(jì)算光纖的沖擊響應(yīng)函數(shù)確定沿光纖的應(yīng)變和溫度信息。BOFDA 傳感系統(tǒng)原理如圖2-76：圖2-7 基于 BOFDA 的分布式光纖傳感技術(shù)圖2-7中，一束窄線寬連續(xù)泵浦光從一端入射進(jìn)單模光纖，另一束窄線寬連續(xù)探測光從光纖的另一端入射。探測光的頻率被調(diào)節(jié)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(gè)頻率f m可變的正弦信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制，對(duì)每一個(gè)確定的信號(hào)頻率值，由光電檢測器分別檢測探測光和泵浦光的光強(qiáng)，光電檢測器的輸出信號(hào)輸入到網(wǎng)絡(luò)分析儀，由網(wǎng)絡(luò)分析儀

21、計(jì)算出光纖的基帶傳輸函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出信號(hào)經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行快速傅立葉反變換，其輸出信號(hào)h（t）中即包含了沿光纖軸向的溫度或應(yīng)變分布信息。 （3）基于 BOCDA 的分布式光纖傳感技術(shù)BOCDA 技術(shù)7采用頻率調(diào)制的連續(xù)泵浦光和探測光并求兩者相關(guān)函數(shù)，是一種可大大提高分布式光纖傳感系統(tǒng)空間分辨率的技術(shù)方案，其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的空間分辨率理論上可達(dá)到毫米量級(jí)。傳感光纖兩端分別入射連續(xù)探測光和連續(xù)泵浦光，這兩束同步調(diào)制光在一個(gè)正弦波上產(chǎn)生一個(gè)相關(guān)的周期峰，并在光電檢測器上接收鎖相放大器的同步信號(hào)?；?BOCDA 的分布式光纖傳感器如圖2-8：圖2-8 基于 BOCDA 的分布式光纖傳感器探測光與泵浦光

22、發(fā)生受激布里淵散射后依次經(jīng)過環(huán)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(guān)度來確定光纖上發(fā)生布里淵散射的位置，從而實(shí)現(xiàn)分布式測量。 （4）基于 BOCDR 的分布式光纖傳感技術(shù)BOTDR作為單端通路系統(tǒng)相對(duì)于雙終端通路系統(tǒng)更加有利，但是不能同時(shí)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(tǒng)如圖3-88：圖2-9 基于BOCDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)耦合器將光源分為兩路，一路為參考光，被用作本振光，經(jīng)延時(shí)后在平衡光電檢測器上相加取其自相關(guān)；另一路為泵浦光，經(jīng)環(huán)行器送入傳感光纖， 經(jīng)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(hào)經(jīng)平衡光電檢測器之后被送入

23、頻譜分析儀。 2.1.6基于瑞利散射的偏振光時(shí)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(dāng)光纖的某點(diǎn)受到作用，由彈光效應(yīng)引起偏振狀態(tài)的變化，實(shí)時(shí)探測散射光偏振態(tài)的變化即可獲得應(yīng)力等參量的空間分布。從微弱的散射信號(hào)中提取偏振態(tài)演化信息是POTDR分布式傳感器的關(guān)鍵。 2.1.7基于相位敏感的光時(shí)域反射型（-OTDR）傳感器在OTDR系統(tǒng)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(huì)發(fā)生干涉。利用這種散射光的相干性設(shè)計(jì)出的相位敏感型光時(shí)域反射系統(tǒng)，可以探測出傳統(tǒng)OTDR系統(tǒng)無法察覺的弱信號(hào)的干擾。相位敏感OTDR（)與傳統(tǒng)型OTDR

24、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(tǒng)。激光器結(jié)構(gòu)如圖2-10所示。 圖2-10 激光器結(jié)構(gòu)激光腔由兩個(gè)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(gè)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(shí)驗(yàn)室條件下為11.5 MHZmin ，輸出功率為50mw。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-11所示。光纖激光器發(fā)出的連續(xù)光，經(jīng)過電光調(diào)制器（EOM）后產(chǎn)生光脈沖，光

25、脈沖被摻鉺光纖放大器（EDFA）放大，由帶通濾波器（BPF，包含F(xiàn)BG的結(jié)構(gòu)）濾除自發(fā)輻射光后通過一個(gè)3dB耦合器進(jìn)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，用采樣率為50 MSS的數(shù)據(jù)采集卡（DAC）采集數(shù)據(jù)，并用 MATLAB軟件處理數(shù)據(jù)。傳感光纜采用普通單模光纖制成的直徑3mm的細(xì)光纜，并埋設(shè)于室外。定位精度可達(dá)到 50m，定位范圍可達(dá)到14km，信噪比約為12dB，且靈敏度較高。圖2-11 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖92.2 長距離干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，干涉儀多用于高靈敏度的點(diǎn)式傳感器如水聽器（又稱水下傳聲器（underwater micr

26、ophone），是把水下聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(shù)的發(fā)展，達(dá)到 ?kHZ線寬的激光器逐步問世，激光光源的相干性越來越強(qiáng)，使得長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(duì)稱平衡性使其可以工作于低相干光條件下，因此近年來對(duì)長距離干涉技術(shù)的研究也越來越廣泛，成為分布式傳感的一個(gè)重要分支。干涉技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是干涉檢測的靈敏度極高，光纖本身既是傳輸媒質(zhì)又是感知元件，光纖上任意一點(diǎn)都是傳感單元，能夠?qū)崿F(xiàn)“海量”檢測，是一種真正意義上的全分布式光纖傳感器。同時(shí)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(hào)變化的方向發(fā)展，因此測量

27、信噪比和準(zhǔn)確率都高得多，傳感距離也長得多，數(shù)據(jù)處理簡單，實(shí)時(shí)性好。干涉儀不僅適合測量靜態(tài)、半動(dòng)態(tài)信號(hào)，更適合于動(dòng)態(tài)信號(hào)的檢測。由于干涉儀屬于相位調(diào)制型傳感器,長距離干涉儀沿線的相位積累和正向光傳輸使得如何準(zhǔn)確定位信號(hào)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(jìn)展，在已經(jīng)報(bào)道的技術(shù)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(jié)構(gòu)使得兩個(gè)干涉儀共享同一條傳感光纖，并采用光纖延時(shí)線使得兩個(gè)干涉儀之間產(chǎn)生光程差，從而依靠兩個(gè)干涉儀的輸出得到待測量的大小和發(fā)生位置，實(shí)現(xiàn)分布式測量?；谏鲜鲈淼姆植际介L距離干涉?zhèn)鞲衅鲝奶厥饨Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了分布定位，而對(duì)多點(diǎn)同時(shí)發(fā)生

28、干擾的情況無能為力，這實(shí)際上限制了其在長距離分布式傳感器中的應(yīng)用。Russell S J 等人提出了一種基于雙薩格納克干涉和波分復(fù)用技術(shù)的分布式光纖傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)干擾檢測和定位，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。2.3 基于光纖干涉儀的準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)常用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(diào)制型傳感器，最終表現(xiàn)為輸出光強(qiáng)受到調(diào)制。因此這類傳感單元主要以時(shí)分復(fù)用和空分復(fù)用為主，且由于馬赫澤德干涉儀的直線平衡結(jié)構(gòu)，串并聯(lián)使用方便，因此在準(zhǔn)分布式傳感中應(yīng)用最為廣泛。由于干涉儀輸出光強(qiáng)是相位變化的非線性函數(shù)，要想獲得待測參量的大小，必須從調(diào)制光強(qiáng)中恢

29、復(fù)相位調(diào)制信息，因此馬赫澤德干涉儀關(guān)鍵技術(shù)是相位解調(diào)方法，近年來國內(nèi)外經(jīng)研究形成了多種解調(diào)方法，如零差解調(diào)法和外差法解調(diào)等。2.4 基于FBG的準(zhǔn)分布式光線傳感技術(shù) FBG傳感表現(xiàn)為中心波長調(diào)制（或波長編碼），通過對(duì)FBG反射波長移動(dòng)的監(jiān)測即可測量外界參量的變化，探測能力不受光源功率波動(dòng)、光纖彎曲損耗、探測器老化等因素的影響，適合長期安全監(jiān)測。鑒于FBG對(duì)溫度、應(yīng)力、壓力和振動(dòng)等外界參量的高靈敏度傳感功能，同時(shí)又具有體積小、動(dòng)態(tài)區(qū)間寬、可靠性高、可大規(guī)模生產(chǎn)和遠(yuǎn)程操控能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，因而成為目前光纖傳感領(lǐng)域內(nèi)最有力的競爭者。為了將FBG更好的應(yīng)用于分布式光纖傳感器中，增加可檢測區(qū)域范圍，提高

30、檢測空間分辨率和精度，同時(shí)降低系統(tǒng)成本，如何有效提高FBG的復(fù)用能力是急待解決的技術(shù)難題。目前對(duì)光纖光柵復(fù)用技術(shù)的研究受到廣泛關(guān)注。復(fù)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(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分布式光纖傳感器作為近二十年內(nèi)才發(fā)展起來的新型監(jiān)測技術(shù)，經(jīng)歷了理論研究、傳感器研制、室內(nèi)試驗(yàn)、工程應(yīng)用等階段。目前，已有多家公司可提供性能穩(wěn)定的BOTDA/R，依托商業(yè)化的傳感器，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用，主要進(jìn)行了分布式光纖傳感器標(biāo)定，研制新型傳感器封裝方式，開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域等工作。在試驗(yàn)室研究方面，吳智深對(duì)基于BOTDR的光

31、纖變形檢出特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，包括光纖拉伸和壓縮試驗(yàn)，有利于理解光纖所測應(yīng)變數(shù)據(jù)的意義。索文斌提出了釆用等強(qiáng)度梁和BOTDR標(biāo)定傳感光纖的溫度頻移系數(shù)及應(yīng)變頻移系數(shù)的方法，為將普通通訊光纖標(biāo)準(zhǔn)化為分布式光纖傳感器進(jìn)行標(biāo)定。高俊啟通過將分布式傳感光纖布設(shè)在鋼筋和混凝土表面，通過靜載試驗(yàn)研究了試驗(yàn)梁性能，同時(shí)對(duì)的測量誤差進(jìn)行了分析。同時(shí)，分布式光纖傳感技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)在于其可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物理量的分布式監(jiān)測，能克服了傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感器存在漏檢現(xiàn)象的缺點(diǎn)，使其在結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估、裂縫監(jiān)測等方面具有一定的優(yōu)勢。Nishio采用PPP-BOTDA測試了埋設(shè)在由復(fù)合材料組成的梁內(nèi)部的光纖應(yīng)變，驗(yàn)證了由分布式應(yīng)變反算結(jié)構(gòu)

32、變形的可行性，后期將該技術(shù)應(yīng)用在平板變形反演中，Akiyoshi等人將技術(shù)應(yīng)用于2000年美洲杯帆船賽的曰本隊(duì)帆船優(yōu)化設(shè)計(jì)中，通過測試數(shù)據(jù)評(píng)估了曰本隊(duì)帆船的完整性和受力作用下的響應(yīng)。Takeda等人釆用AQ8602B型對(duì)飛機(jī)機(jī)身的片狀結(jié)構(gòu)的制造過程及后期加載進(jìn)行了應(yīng)變檢測，提出通過分析布里淵頻譜提高空間分辨率及識(shí)別動(dòng)態(tài)應(yīng)變，依托上述技術(shù)建立飛行器應(yīng)變檢測系統(tǒng)。Lee提出一種結(jié)合分布式光纖傳感技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)構(gòu)損傷方法，并在對(duì)一根具有預(yù)制裂縫的梁進(jìn)行了測試。Zhang 利用BOTDR對(duì)裂縫進(jìn)行了監(jiān)測并分析其應(yīng)用于裂縫監(jiān)測的可行性。Zou通過試驗(yàn)提出了利用布里淵散射的光纖應(yīng)變判斷裂縫開展過程

33、。Lu等人將裂縫監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于某新青鋪裝層的裂縫監(jiān)測中。錢振東等人開展了基于BOTDA的橋面板疲勞裂縫監(jiān)測研究，利用光纖應(yīng)變得到了疲勞擴(kuò)展模型。布式光纖傳感技術(shù)還具有化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，可在銹獨(dú)、潮濕、高溫等環(huán)境中存活。軒元認(rèn)為當(dāng)鋼筋銹蝕到一定程度之后，在局部銹燭區(qū)域鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能下降，導(dǎo)致鋼筋以及周圍混凝土的應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)生變化，通過比較不同時(shí)間的BOTDA監(jiān)測結(jié)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(shè)在被測物的內(nèi)部和表面，監(jiān)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(shè)計(jì)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

34、，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(chǎn)生光纖應(yīng)變，其值變化反應(yīng)了含水量變化過程。在將分布式光纖傳感器應(yīng)用于實(shí)際工程前，需考慮傳感光纖的存活問題，如不對(duì)裸光纖進(jìn)行合理的封裝和保護(hù)，則難以獲取理想的監(jiān)測數(shù)據(jù)。Zeng釆用Bao等課題組研發(fā)的系統(tǒng)，測試了一根長1.65m的鋼筋梁的三點(diǎn)及四點(diǎn)加載應(yīng)變，采用了兩種光纖保護(hù)方式，一種是將光纖埋入玻璃纖維筋（GFRP），另一種是釆用環(huán)氧樹脂將光纖枯結(jié)在鋼筋表面，結(jié)果表明上述方式保護(hù)的光纖均能存活并具有備好的測試結(jié)果；Matta以鋼纖維帶的形式在鋼橋表面布設(shè)分布式光纖，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變監(jiān)測和溫度補(bǔ)償，并采用AQ8603型BOTDR測試

35、該橋加載過程中的應(yīng)變。劉永莉認(rèn)為光纖固定困難制約了應(yīng)用光纖監(jiān)測的許多領(lǐng)域，針對(duì)邊坡變形監(jiān)測中光纖固定方面遇到的問題，利用摩擦力對(duì)張力分布的影響，提出釆用緩繞方式固定光纖的方法，并結(jié)合滑坡監(jiān)測工程實(shí)踐，提出了合理設(shè)計(jì)布線方式。Wu還釆用BOTDR并結(jié)合點(diǎn)式固定傳感光纖和全線枯結(jié)傳感光纖，對(duì)PBO-FRP的加固效果進(jìn)行了評(píng)估和分析。于立朋采用樹脂加玻璃纖維的復(fù)合材料對(duì)傳感光纖進(jìn)行封裝，結(jié)合BOTDA技術(shù)實(shí)現(xiàn)了變壓器繞組溫度在線監(jiān)測。Zhou設(shè)計(jì)了一種FRP加固的長標(biāo)距光纖傳感器，通過電鏡掃描、理論分析、荷載試驗(yàn)研究了其表面牲結(jié)強(qiáng)度、力學(xué)性能、應(yīng)變傳遞性能等，并將其應(yīng)用于某高速公路和大慶油田油井。

36、由于分布式光纖傳感技術(shù)具有測試范圍大的優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于大型土木工程中。如海底管道、輸油、輸氣方面，Li等人依據(jù)海底管線監(jiān)測的技術(shù)要求，如可實(shí)現(xiàn)長距離、小空間分辨率、大變形、多參量測試等，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)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(tǒng)）測試了管道應(yīng)變。Zou在室內(nèi)采用15cm空間分辨率的PPP-BOTDA監(jiān)測了2667m，直徑762mm管道的屈曲，并成功監(jiān)測到了屈曲發(fā)生部位。Zhang等利用Bao課題組技術(shù)進(jìn)行了管道屈曲試驗(yàn)，通過對(duì)布里淵頻譜分析成功預(yù)測了屈曲的幅度及位置。Inaudi還利用布里淵散射對(duì)溫度敏感的特性設(shè)計(jì)了管道漏氣監(jiān)測方法，并采用模

37、擬試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。在橋梁、隨道、道路等交通工程方面，Kluth等釆用系統(tǒng)監(jiān)測對(duì)工鋼梁3.0m 純彎曲加載試驗(yàn)，并對(duì)Daejeon Railway Station的火車鐵軌進(jìn)行了應(yīng)變測試。Glisic認(rèn)為將分布式光纖傳感器應(yīng)用于裂縫監(jiān)測存在空間分辨率小、應(yīng)力集中過大等難題，提出通過識(shí)別布里淵頻移第二峰值的方法進(jìn)行裂縫判斷，設(shè)計(jì)了合理的光纖固定方式將其應(yīng)用于某橋梁裂縫監(jiān)測。Zhang建造于1995年的滬寧高速某橋梁的破壞性試驗(yàn)進(jìn)行分布式應(yīng)變監(jiān)測，應(yīng)用測試的應(yīng)變場對(duì)橋梁損傷進(jìn)行了時(shí)域和空間域的分析和判斷。錢振東為驗(yàn)證BOTDA測試?yán)蚯嗷炷龄佈b層裂縫的可行性，進(jìn)行了光纖抗壓、溫度交變及裂縫

38、模擬試驗(yàn)，比選了裸光纖和緊套光纖的抗壓及裂縫監(jiān)測能力，建立了布里淵頻移和裂縫寬度之間的關(guān)系，應(yīng)用表明BOTDA對(duì)實(shí)際路面溫度、殘佘變形和裂縫監(jiān)測具有很高的測量精度和穩(wěn)定性。周智等人釆用耦合器和光開關(guān)實(shí)現(xiàn)了FBG和BOTDA/R的共線測試，并在試驗(yàn)室測試了鋼筋混凝土梁和平行鋼絲拉索索力，實(shí)現(xiàn)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(hào)隨道布設(shè)了傳感光纖，建立了基于BOTDR技術(shù)的分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)。在巖土工程方面，Klar提出釆用分布式光纖構(gòu)件監(jiān)測網(wǎng)，自動(dòng)檢測隨道開挖過程造成的擾動(dòng)、沉降等現(xiàn)象，并進(jìn)行了室內(nèi)模擬試驗(yàn)；相同的應(yīng)用，Del

39、epine-Lesoile 釆用BOTDR和Optical Frequency Domain Reflectometery （OFDA）技術(shù)進(jìn)行了地表塌陷的模擬試驗(yàn)，兩者均能感應(yīng)塌陷的發(fā)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(shù)，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(dòng)獲取H型鋼翼緣應(yīng)變、樁身彎矩、曉度等受力變形數(shù)據(jù)。劉杰釆用BOTDR技術(shù)對(duì)深基的土體水平位移進(jìn)行了監(jiān)測，并提出了相應(yīng)的施工工藝流程。黃志懷釆用AQ8603測試了GFRP錨桿的拉伸應(yīng)變。葛捷在堤壩表面鋪設(shè)傳感光纖以監(jiān)測海堤沉降。張俊義將傳感光纖埋入混凝土格構(gòu)和貫穿于滑體得水泥階路，構(gòu)成

40、分布式光纖監(jiān)測網(wǎng)，采用AQ8603測試了三峽巫山殘聯(lián)滑坡的變形，依據(jù)監(jiān)測結(jié)果對(duì)光纖種類、鋪設(shè)方式、空間分辨率、監(jiān)測周期、溫度補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵問題進(jìn)行了解釋和思考。Kato介紹了三個(gè)利用BOTDR技術(shù)監(jiān)測邊坡失效的工程實(shí)例，其間利用監(jiān)測數(shù)據(jù)估計(jì)塌方出現(xiàn)的時(shí)間，可進(jìn)行災(zāi)害的提前預(yù)警。劉永莉用BOTDR對(duì)浙江省龍麗高速的某滑坡進(jìn)行長期監(jiān)測，并設(shè)計(jì)了光纖纏繞固定技術(shù)進(jìn)行了浙江省諸永高速的某滑坡監(jiān)測。4 分布式光線傳感技術(shù)應(yīng)用實(shí)例光纖傳感器技術(shù)是一項(xiàng)當(dāng)今世界令人矚目的迅猛發(fā)展起來的高新技術(shù)之一，也是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志，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。由于分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)中的檢

41、測光纖本征無源不帶電，耐高電壓和強(qiáng)電磁場、耐電離輻射，抗射頻和電磁干優(yōu)，防雷、防爆、抗腐蝕，能在有害環(huán)境中安全運(yùn)行，是實(shí)用的“本安”型傳感器，因此，在電力系統(tǒng)、交通領(lǐng)域、隧道、大壩、石油、化工、煤礦等危險(xiǎn)區(qū)域的大面積、大范圍的溫度報(bào)警和火情監(jiān)測等領(lǐng)域，已成為光纖傳感技術(shù)和檢測技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢。 4.1電力工業(yè)10智能電網(wǎng)的基本特征就是信息化、自動(dòng)化和互動(dòng)化，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，作為信息采集的關(guān)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(yōu)點(diǎn)，必將在電力系統(tǒng)中獲得廣泛的應(yīng)用。采用分布式光纖傳感器對(duì)輸電線路進(jìn)行溫度測量在國外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，而國內(nèi)也在積極地開展這方面的研究工作分布式光纖傳感

42、器在輸電環(huán)節(jié)的另一種應(yīng)用，則是對(duì)輸電線路的塔、線的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，尤其是監(jiān)測輸電塔、線在惡劣環(huán)境(覆冰、大風(fēng)、高低溫等)下的受力情況，確保電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)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(shù)測量的優(yōu)勢，如何將分布式光纖傳感系統(tǒng)對(duì)溫度和應(yīng)力進(jìn)行測量與電纜故障診斷技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成基于光纖傳感器的電纜在線故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電纜溫度、應(yīng)力應(yīng)變的實(shí)時(shí)監(jiān)測和動(dòng)態(tài)載流量分析，實(shí)時(shí)進(jìn)行電纜電氣故障分析、識(shí)別和定位，保障智能電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，將是分布式光纖傳感器在輸電環(huán)節(jié)應(yīng)用的重點(diǎn)發(fā)展方向。高壓電氣設(shè)備中由于微波和電磁干擾的影響，傳統(tǒng)的測溫方法難于或者根本無法得到真實(shí)的測試結(jié)果。而分布

43、式光纖溫度傳感器與傳統(tǒng)的各類溫度傳感器相比，其具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：使用光纖作為傳輸和傳感信號(hào)的載體，有效克服了電力系統(tǒng)中存在的強(qiáng)電磁干擾； 利用一根光纖為溫度信息的傳感和傳導(dǎo)介質(zhì)，可以測量沿光纖長度上的溫度變化；采用先進(jìn)的 OTDR 技術(shù)和 Raman 散射光對(duì)溫度感的特性，探測出沿著光纖不同位置的溫度的變化；實(shí)現(xiàn)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(shí)時(shí)監(jiān)測等。 4.2 道路交通4.2.1在列車溫度測量方面的應(yīng)用列車車廂防火監(jiān)控列車需要對(duì)車廂中的溫度進(jìn)行測量，以達(dá)到防火監(jiān)控的目的。目前列車上主要使用煙霧報(bào)警器和紅外報(bào)警器來進(jìn)行防火監(jiān)控，但這類系統(tǒng)存在兩個(gè)方面的問題：一是它們

44、只能在火災(zāi)發(fā)展到明火階段后才能發(fā)現(xiàn)，無法將火災(zāi)消滅在隱患階段；二是它們的可靠性較差，常發(fā)生誤報(bào)，例如乘客在車上吸煙時(shí)就會(huì)觸發(fā)煙霧報(bào)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(duì)數(shù)公里范圍內(nèi)光纜周的環(huán)境溫度進(jìn)行測量，測量精度達(dá)到±，它還可以對(duì)測量點(diǎn)的位置進(jìn)行精確定位，精度可以達(dá)到11 以內(nèi)。利用該傳感器進(jìn)行消防監(jiān)控，可以在溫度發(fā)生異常時(shí)就進(jìn)行報(bào)警，將事故消滅在萌芽階段。該傳感器目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于管道泄漏監(jiān)測、地鐵隧道消防監(jiān)控、電纜溝消防監(jiān)控，在車廂防火監(jiān)控中也有著潛在的應(yīng)用前景。4.2.2在鐵道災(zāi)害防治中的應(yīng)用12山坡上布置基于布里淵散射的分布式光

45、纖布里淵應(yīng)力傳感器。這種傳感器利用光纖中的背向布里淵散射進(jìn)行測量，可以同時(shí)測量光纖沿線的溫度和應(yīng)力情況，并且可以精確定位測量點(diǎn)的位置。將這種光纖固定山體上的錨桿中，當(dāng)山體發(fā)生滑坡時(shí)，碎石帶動(dòng)錨桿移動(dòng)，從而拉扯光纖產(chǎn)生應(yīng)力。根據(jù)散射光的強(qiáng)度和返回時(shí)間，即可知道山體滑坡發(fā)生的地點(diǎn)。該傳感器只需要使用普通光纖，成本較為低廉，同時(shí)其測量范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光纖光柵傳感器，可以達(dá)到幾公里甚至幾十公里。在北方，嚴(yán)重結(jié)冰發(fā)生的概率更大，每年都給鐵路交通運(yùn)輸造成很大損失。分布式光纖布里淵應(yīng)力傳感器可用于輸電線的結(jié)冰監(jiān)測。其方法是，將測量光纜與輸電線安裝在一起，當(dāng)有結(jié)冰和積雪發(fā)生時(shí)，會(huì)導(dǎo)致測量光纜被拉伸，通過應(yīng)力測量即

46、可知道輸電線纜是否有斷裂的危險(xiǎn)，并可準(zhǔn)確地知道事故發(fā)生地點(diǎn)的位置。這種傳感器體積小、質(zhì)量輕，不會(huì)給輸電帶來額外的負(fù)荷；抗電磁干擾能力強(qiáng)，可以傳輸很遠(yuǎn)的距離；同時(shí)它準(zhǔn)確判斷位置的能力也是電類傳感器無法做到的。4.3 工程應(yīng)用13,14應(yīng)用于工程領(lǐng)域的光纖傳感技術(shù)主要有光纖光柵（FBG）、瑞利散射光時(shí)域反射（OTDR）和拉曼光時(shí) 域反射（ROTDR）、布里淵光時(shí)域反射（B0TDR）或布里淵光時(shí)域分析（BOTDA）。每種光纖傳感技術(shù)的特 點(diǎn)不同。適用于不同的監(jiān)測對(duì)象。FBG 技術(shù)主要進(jìn) 行點(diǎn)式高精度監(jiān)測，具有高速實(shí)時(shí)監(jiān)測的性能，適用 于橋梁、隧道的重點(diǎn)部位的監(jiān)測，成本適中，但是其監(jiān) 測點(diǎn)數(shù)有限并存在

47、盲區(qū)。其他幾種傳感技術(shù)的特點(diǎn) 及應(yīng)用如表1 所示。分布式光纖傳感技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)應(yīng)用后向瑞利散射成本低、測量精度低、傳感距離短應(yīng)用最早，目前研究甚少周界入侵、振動(dòng)監(jiān)測自發(fā)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(zāi)情況布里淵散射測量精度高、傳感長度長達(dá)51 km、空間分辨率0.5 m、成本高廣泛關(guān)注與研究長距離分布式應(yīng)力監(jiān)測、大中型建筑工程、長期穩(wěn)定性監(jiān)測前向傳輸模耦合理論上可得極高分辨率、原理簡單、實(shí)現(xiàn)困難目前暫無工程應(yīng)用表1 分布式光纖傳感技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用4.3.1管道監(jiān)測15分布式光纖管道監(jiān)測技術(shù)屬于長距離、低靈敏度的靜態(tài)監(jiān)測，對(duì)了

48、解管道結(jié)構(gòu)性能的整體變化趨勢較為適用。日本ANDO公司研制開發(fā)了基于BOTDR技術(shù)的光纖應(yīng)變/損耗分析儀，該分析儀對(duì)光纖沿線應(yīng)變信息可達(dá)到最長80km的有效檢測，測量精度和空間分辨率可達(dá)到±0.003%和1m；加拿大OZ公司的ForesightTM傳感器系統(tǒng)可在50km測量范圍內(nèi)達(dá)到±2和±0.1的應(yīng)變和溫度測量精度，同時(shí)空間分辨率可達(dá)到10cm。分布式光纖管道監(jiān)測系統(tǒng)通常都可以對(duì)管道應(yīng)變和溫度同時(shí)進(jìn)行測量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管道變形狀況的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測。4.3.2結(jié)構(gòu)健康檢測結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）技術(shù)起源于世紀(jì)年代，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測最初目的是進(jìn)行結(jié)構(gòu)的荷載監(jiān)測，隨著工程大型化、

49、復(fù)雜化的發(fā)展和結(jié)構(gòu)整體檢測的要求，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)涵蓋了結(jié)構(gòu)損傷診斷、結(jié)構(gòu)安全預(yù)警、結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)估、結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測和結(jié)構(gòu)損傷的自動(dòng)修復(fù)等多種功能16。隨著結(jié)構(gòu)體型趨向大型化、復(fù)雜化，一些傳統(tǒng)傳感器特別是結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器，如電阻應(yīng)變計(jì)、振弦式應(yīng)變計(jì)，其復(fù)雜的信號(hào)傳輸線路為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的集成帶來較大難度。因此，便于集成、便于安裝、精度高、穩(wěn)定性好的的智能化傳感器得到越來越廣泛的應(yīng)用，其中分布式光纖傳感器是目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)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混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變檢測之后，出現(xiàn)了越來越多的新型傳感器并付諸于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中。其中分

50、布式光纖傳感系統(tǒng)是目前應(yīng)用較為普遍的傳感器。國內(nèi)也有很多高校企業(yè)在做相關(guān)研究，并取得了一定的進(jìn)展，例如浙江大學(xué)金偉良基于BOTDA的鋼筋銹蝕混凝土開裂全過程監(jiān)測基礎(chǔ)理論研究。4.3.3光纖傳感技術(shù)在工程應(yīng)用的發(fā)展趨勢13,14： （1）系統(tǒng)集成技術(shù)在一個(gè)安全監(jiān)測工程中可以獲取被測對(duì)象的全面信息，從而有助提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性。（2）組網(wǎng)技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于多點(diǎn)式和分布式 光纖傳感器系統(tǒng)，組成新型的光纖傳感測量網(wǎng)絡(luò)，與 因特網(wǎng)，無線網(wǎng)結(jié)合起來，組成智能傳感通信網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)。（3）重大工程安全監(jiān)測中，根據(jù)實(shí)際工程，結(jié)合傳 感數(shù)據(jù)，進(jìn)行模擬和仿真研究。以獲得最大著力點(diǎn)、 最大熱點(diǎn)和溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場分布，進(jìn)

51、一步獲得最佳監(jiān)測和預(yù)警方案。4.4 安防隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和治安狀況愈加復(fù)雜，一些重大工程項(xiàng)目和重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域，如機(jī)場，火車站，軍區(qū)等，都對(duì)安防提出了很高要求。而傳統(tǒng)安防技術(shù)存在 性能差，誤報(bào)率高，容易遭受雷擊，使用銅纜等缺點(diǎn)，光纖周界防范系統(tǒng)可以有效地克服現(xiàn)行周界安防系統(tǒng)的缺點(diǎn)，而且還具有監(jiān)控距離長，無電磁輻射，抗干 擾能力強(qiáng)，可靠性高，工程施工相對(duì)簡單等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng) 今安防市場發(fā)展的主流方向。目前正在運(yùn)行的光纖傳感安防系統(tǒng)，都是采用光 纖傳感和視頻監(jiān)控、紅外對(duì)射混合使用的手段，且這 種混合組網(wǎng)安防技術(shù)會(huì)存在相當(dāng)長的一段時(shí)間。4.5 石油工業(yè)領(lǐng)域19光纖傳感技術(shù)的出現(xiàn)極大的豐富了油田的測試領(lǐng)域。近年來，分布式光纖傳感技術(shù)的發(fā)展已趨于成熟，目前雖然光纖傳感技術(shù)還未廣泛地應(yīng)用于油田開發(fā)領(lǐng)域，但它作為一種有著巨大潛力的新技術(shù)，必將廣泛應(yīng)用于石油開發(fā)領(lǐng)域并發(fā)揮巨大作用。光纖傳感器技術(shù)是改變石油產(chǎn)業(yè)游戲規(guī)則的關(guān)鍵技術(shù)，光學(xué)油田將是未來油田發(fā)展的必然趨勢。4.6 復(fù)合材料領(lǐng)域近年來分布式光纖檢測技術(shù)在復(fù)合材料中的應(yīng)用受到高度重視。在復(fù)合材料中埋入光纖,從而賦予結(jié)構(gòu)智能功能,以監(jiān)控結(jié)構(gòu)