第九章分布式光纤传感技术

分布式光纤传感技术介绍哎呀，说起这个分布式光纤传感技术，我可得好好给你掰扯掰扯。

这玩意儿，听起来挺高大上的，其实呢，就是用光纤来感知周围环境的变化，比如温度啊、压力啊、振动啊这些。

你可能会想，这不就是一根线嘛，能有啥大不了的？嘿，别小看这根线，它可聪明着呢！首先，咱们得聊聊光纤是啥。

光纤，就是那种细细的、透明的玻璃丝，你家里宽带上网用的那种。

但是，分布式光纤传感技术用的光纤，可比那个高级多了。

这种光纤，里面可以传递光信号，而且，这些光信号在光纤里走的时候，会因为周围环境的变化而改变。

这就是分布式光纤传感技术的核心。

比如说，你把光纤埋在地下，用来监测管道有没有泄漏。

如果管道漏了，周围的温度、压力就会变化，这些变化就会影响光纤里的光信号。

光纤里的光信号一变，咱们的设备就能检测到，然后发出警报。

这就是分布式光纤传感技术的一个应用。

再给你举个栗子，我有个朋友在建筑工地上工作，他们就用这个技术来监测建筑结构的安全。

你想想，建筑工地上那么多大型机械，万一哪个地方没搞好，那可不是闹着玩的。

他们就把光纤埋在混凝土里，一旦有裂缝或者变形，光纤里的光信号就会变化，设备就能检测到，及时采取措施。

这个技术还有个好处，就是它可以覆盖很长的距离。

不像传统的传感器，只能监测很小的区域。

分布式光纤传感技术，一根光纤可以拉很长，监测的范围自然就广了。

而且，它还很耐用，不怕风吹日晒，也不怕腐蚀。

说到这儿，你可能会觉得，这玩意儿这么厉害，肯定很贵吧？其实，随着技术的发展，成本已经降低了很多。

而且，因为它可以减少维护成本和提高安全性，长远来看，还是挺划算的。

总之，分布式光纤传感技术，就是用光纤来感知世界的一种高科技。

它虽然听起来有点复杂，但其实原理挺简单的，就是利用光信号的变化来监测环境。

这技术在很多领域都有应用，比如石油、天然气、土木工程、环境监测等等。

随着技术的不断发展，我相信它会越来越普及，给我们的生活带来更多便利和安全。

分布式光纤传感器原理一、分布式光纤传感器原理分布式光纤传感器（Distributed Optical Fiber Sensor，DOFS）是一种新型传感技术，它利用光纤原理监测、测量被测目标的参数。

传感器通过植入光纤改变或分析光纤内传播的光脉冲，根据数学模型和算法从光脉冲的改变中分析出被测参数，从而达到监测或测量的目的。

传统的光纤传感器主要分为单点检测和分布式传感两类。

单点检测只能检测光纤段的一点，而分布式传感则可以同时监测整个光纤段的参数，如压力、温度、振动等。

分布式光纤传感器主要有两种：光纤Brillouin散射传感器（Fiber Brillouin Scattering Sensor）和光纤Raman散射传感器（Fiber Raman Scattering Sensor）。

1. 光纤Brillouin散射传感器光纤Brillouin散射传感器是利用光纤内固有的acoustic-optic 效应（Brillouin散射）来测量光纤内部的物理参数，如压力、温度、拉力等。

光纤Brillouin散射是指一束光线入射至光纤材料或结构中，由于光纤材料的内部固有声子和光子的相互作用，使得光子的波长会发生微小的变化，即光子的波长会发生一个内部固有的 Brillouin 光谱线，里面包含着光纤的特征参数，例如压力、拉力、温度等。

2. 光纤Raman散射传感器光纤Raman散射传感器是基于光纤Raman散射原理，利用激光激发出的光纤中的能量状态的微小变化来测量物理参数，如温度、压力、拉力等。

光纤Raman散射（Fiber Raman Scattering）是指一束激光入射至光纤中，由于光子和光纤中的自由电子的相互作用，使得激光光子中的能量状态发生微小的变化，从而产生一条Raman光谱线。

里面包含着光纤的特征参数，如温度、压力、拉力等。

二、分布式光纤传感器的应用分布式光纤传感器在工程和科学研究中有着广泛的应用，如用于： 1. 架构监测：可为大型结构物提供细节的分布式监测，如桥梁、建筑物等；2. 海洋和河流监测：可以实现实时的海洋流速和河流溯源的监测；3. 地质监测：可以检测地表或地下的地质变化，如地震、地质构造变化等；4. 军事和安全监控：可以检测活动的物体，如坦克、舰船等；5. 工厂设备监控：可以实现机器的实时监控，如机床、发动机等。

分布式光纤传感技术的分类一分布式光纤传感监测系统原理光的传播有一种叫做闪射现象。

闪射：当光束通过不均匀媒质时，部分光束将偏离原来方向而分散传播，从侧向也可以看到光的现象，叫做光的散射。

然后光的散射可以分成弹性散射跟非弹性散射。

弹性闪射主要有瑞利散射和米氏散射；非弹性散射包括布里渊散射，拉曼散射，康普顿散射等。

而分布式光纤传感监测系统，是采用不同的散射实现的，有基于拉曼光谱（Raman spectra），布里渊散射，瑞利散射等。

二分布式光纤传感监测系统分类分布式光纤有几种类型，经常看到的有DTS分布式光纤测温、DVS分布式光纤、DAS分布式光纤声波监测系统。

1. DVS防区型是通过划分防区进行监测的，而且当某个位置入侵后不能准确定位到具体位置，只能知道在某个防区，所以划分防区就很重要。

我们一般建议是50m-200m 一个防区，总防区一般为16个以内。

这样就能快速的定位到入侵位置（因为距离比较短）。

主要用在一些建筑的周届安防上，而且安装比较复杂，不能应用于长距离传输，价格不贵，当长距离定位型的DVS 价格降下来后，防区型的DVS慢慢没有优势了。

2. 分布式光纤振动传感系统（DVS）根据振动进行测量的，基于瑞利后向干涉；定位精度，跟监测距离长度是2个比较重要的指标；目前国内领先水平是40km左右,定位精度在5米这样，再高的距离到50KM,60KM，相比于防区型，DVS能够准确的定位出入侵位置，所以定位精度很重要。

目前该系统功能完善，可提供用户需要的功能。

可视化报警显示：提供形象的可视化显示界面，通过图形组态模块将光纤位置映射到图像上，一旦某点发生入侵事故，报警信息直接显示在图像上，形象直观。

振动曲线显示：系统可以实时显示整个光缆的振动信号分布曲线，当某处振动信号应变异常时，通过曲线可以显示该处实时信息分区/ 分级事件报警：提供多种灵活的报警方式，报警参数可以分级、分区域设置。

历史统计分析：提供历史振动数据统计分析功能，包括：a. 某时刻光缆不同位置的振动分布曲线b. 某时段光缆某点的振动变化曲线3. 分布式光纤声波监测系统（DAS）该系统检测声音，原理是基于振动测量；跟DVS的区别是DAS相位解调，能线性还原声音，DVS没有相位调解，无法还原声音；在能源，石油，燃气管道等等场景中开始使用。

分布式光纤传感技术的特点与研究现状发布时间: 2009-05-11 09:19:44 文章来源:中国机械网收藏&分享打印版推荐给朋友导读：分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力，其基本特征为[1]：光纤传感分布1、分布式光纤传感技术的特点分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力，其基本特征为[1]：①分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤；②一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测量的二维和三维分布情况；③系统的空间分辨力一般在米的量级，因而对被测量在更窄范围的变化一般只能观测其平均值；④系统的测量精度与空间分辨力一般存在相互制约关系；⑤检测信号一般较微弱，因而要求信号处理系统具有较高的信噪比；⑥由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描、相位的跟踪等处理，因而实现一次完整的测量需较长的时间。

2、分布式光纤传感技术研究现状分布式光纤传感技术一经出现，就得到了广泛的关注和深入的研究，并且在短短的十几年里得到了飞速的发展．依据信号的性质，该类传感技术可分为4类：①利用后向瑞利散射的传感技术；②利用喇曼效应的传感技术；③利用布里渊效应的传感技术；④利用前向传输模耦合的传感技术．2.1、利用后向瑞利散射的分布式光纤传感技术瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相同．在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射（OTDR）结构来实现被测量的空间定位，典型传感器的结构如图1所示．依据瑞利散射光在光纤中受到的调制作用，该传感技术可分为强度调制型和偏振态调制型。

图1后向散射型分布式光纤传感器基本系统框图2.1.1强度调制型[2]当一束脉冲光在光纤中传播时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生瑞利散射．如果外界物理量的变化能够引起光纤的吸收、损耗特性或瑞利散射系数的变化，那么通过检测后向散射光信号的强度就能够获得外界物理量的大小．目前基于对后向瑞利散射光进行强度调制的传感器有利用微弯损耗构成的分布式光纤力传感器、利用光纤材料在放射线照射下所引起光损耗构成的分布式辐射传感器，利用化学染料对光的吸收特性构成的分布式化学传感器，利用液芯光纤瑞利散射系数与温度的关系构成的分布式温度传感器。

光纤光栅传感器是一种常用的光学传感器件，分布式光纤光栅就属于准分布式光纤传感器件中的一种。

选题方向合理。

请尽快确定课题完成方式，明确研究内容，尽快开展课题调研论证工作。

75分布式光纤光栅传感技术光纤传感技术是一种以光纤为媒介，光为载体，感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术，是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而逐步形成的。

在光通信系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界因素的影响越小越好，但是，在实际的光传输过程中，光纤容易受到外界环境因素的影响，如温度、压力、应变等外界条件的变化将引起光纤中传输光波的特征参数如频率、相位、光强、偏振态等的变化，通过测量这些参数的变化，就可以得到外界作用于光纤的物理量，这就是光纤传感技术。

光纤传感技术的基本原理是：将光源的光入射进光纤，当光在光纤中传输的过程中受到外界物理量影响，使得被测参数与光纤内传输的光相互作用，进行调制，从而使其光学性质如光的频率、波长(颜色)、强度、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光，然后将这一调制的信号光送入光探测器中进行解调，经信号处理后就可获得被测参数。

光纤传感器与传统传感器相比具有许多明显优势：1）体积小、重量轻，几何形状具有多方面的适应性，可以做成任意形状的传感器和传感器阵列。

2）抗电磁干扰能力强、耐高温、耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠。

3）光纤传感器件多是无源器件，对被测对象影响较小。

4）便于复用，便于成网。

它既可以作为信息的传递媒介，又可以作为信号测量的传感装置。

5）光纤传感器传输频带宽，动态范围大，测量距离长。

光纤传感器的种类很多，按照其工作方式可分为：点式、准分布式和分布式三类。

其中，准分布式光纤传感器是使用传感网络系统进行测量的，其光纤不作为传感元件，只作为传输元件，其敏感元件为多个点式的传感器，它们采用串联或各种网络结构形式连接起来，利用波分复用、时分复用或频分复用等技术形成分布式网络系统，进而可以较精确地分时或同时得到被测量信息的空间分布，也可同时得到某一点或某些空间点上不同被测量的分布信息。

光纤的魔法：分布式光纤传感原理解析
光纤传感技术是一项基于光纤传输原理的新型传感技术，它将光
纤作为传感元件，利用光纤中光的传输特性来实现对环境参数的精准
监测和测量。

其中，分布式光纤传感技术是一种利用一根或多根光纤
对空间环境进行实时、无缝监测的新型技术。

该技术的原理基于光纤中的散射效应和光的互动作用，在光纤中
布置特定的传感器，通过对光信号的分析和处理，实现对环境物理量
的精确测量。

因此，在分布式光纤传感技术中，光纤本身就是传感器，将所测量物理量的影响转换为光信号，并通过对光信号的分析获得所
需测量结果。

与传统的点式传感技术相比，分布式光纤传感技术具有全覆盖、
实时性强、高灵敏度、高精度、抗干扰性强等优点，尤其适用于对管道、隧道、桥梁、堤坝、地铁、公路、油田等复杂环境进行实时、精
准监测和预警。

同时，分布式光纤传感技术也被广泛应用于医疗卫生、电力、交通、安防、煤矿等领域，为现代社会的可持续发展做出了巨
大贡献。

总之，分布式光纤传感技术是一项具有广阔应用前景和重要社会
意义的新型传感技术，随着技术的不断发展和完善，在未来还将展现
更为广泛的应用场景和更为优异的性能表现。

分布式光纤传感技术的特点与研究现状论述摘要：分布式无线光纤传感技术是目前正在发展的一项新型检测技术，它的工作原理主要是利用光纤感知接收到一个信号并将这个信号实时传出并返回，相较于传统的节点式无线光纤传感器主要工作原理而言，分布式无线光纤传感技术可以实时测量前向光纤上成千上万个散射点的空间温度和其对应变量等信息，达到分布式温度测量。

通过连续函数的具体计算形式，针对整个光纤基层表面各个节点位置的实时监测温度，进行相对精准的温度测量。

关键词：分布式；光纤传感技术1 分布式光纤传感技术简介1.1 光纤的损耗特性如果想要光信号顺利通过，需要通过一些方法降低光纤损耗。

除此之外，光纤损耗的分类主要分为固有损耗和附加损耗。

固有损耗包括散射损耗、吸收损耗和因光纤结构不完善引起的损耗。

附加损耗则包括微弯损耗、弯曲损耗和接续损耗。

1.2 分布式光纤传感技术分布式光纤传感技术根据传感光类型不同可分为散射光传感和前向光传感2类。

其中，散射光又分为瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射3类。

基于不同光学效应的传感技术可以检测不同的物理参量。

基于瑞利散射的光纤传感技术工程上主要用于检测振动与声音信号，基于拉曼散射的光纤传感技术工程上主要用于温度的测量，而基于布里渊散射的光纤传感技术工程上主要用于应变与温度的双参数测量，而前向光干涉的光纤传感技术工程上主要用于振动与声音的检测。

光纤总线调制调控总线起到一个传光器的调制作用。

各种新型分布式光纤调制总线调控传感器的调制系统实质上是一个联合调制复用工作调制调控系统。

根据调制光波所测的各种外界强度调制调控信号类型进行联合调制以及光波的各种外界物理强度波动变化特征情况和光波所参与测量的外界强度波动变化及其响应特征情况,可将用于调制时间光波的各种外界强度调制调控信号类型分为光化学光波被测强度调制信号联合调制、光化学微波被测频率调制信号联合调制、光波长强度信号联合调制、光化学微波偏振相位调制信号联合调制和偏振相位信号联合调制这几种主要工作调制类型。

分布式光纤传感技术瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞引起的，散射光的频率与入射光的频率相同。

一般采用光时域反射（OTDR）结构来实现被测量的空间定位。

瑞利散射的原理是沿光纤传播的光在纤芯内各点都会有损耗，一部分光沿着与光纤传播方向成180°的方向散射，返回光源。

利用分析光纤中后向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，通过显示损耗与光纤长度的关系来检测外界信号场分布于光纤上的扰动信息。

由于瑞利散射属于本征损耗，因此可以作为应变场检测参量的信息载体，提供沿光路全程的单值连续检测信号。

利用光时域反射（OTDR）原理来实现对空间分布的温度的测量。

当窄带光脉冲被注入到光纤中去时，该系统通过测后向散射光强随时间变化的关系来检查光纤的连续性并测出其衰减。

入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为t，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L=v*t。

v是光在光纤中传播的速度，v=c/n，c 为真空中的光速，n为光纤的折射率。

在t时刻测量的是离光纤入射端距离为L处局域的背向散射光。

采用OTDR技术，可以确定光纤处的损耗，光纤故障点、断点的位置。

可以看出，在光纤背向散射谱分布图中，激发线两侧的频谱是成对出现的。

在低频一侧频率为的散射光为斯托克斯光Stokes；在高频的一侧频率为的散射光为反斯托克斯光anti-Stoke，它们同时包含在拉曼散射和布里渊散射谱中。

光纤中的散射光谱1. 基于瑞利散射的光纤传感技术原理瑞利散射主要特点有：(1) 瑞利散射属于弹性散射，不改变光波的频率，即瑞利散射光与入射光具有相同的波长。

(2) 散射光强与入射光波长的四次方成反比，即上式表明，入射光的波长越长，瑞利散射光的强度越小。

(3) 散射光强随观察方向而变，在不同的观察方向上，散射光强不同，可表示为其中，为入射光方向与散射光方向的夹角；是方向上的散射光强。

(4) 散射光具有偏振性，其偏振程度取决于散射光与入射光的夹角。

分布式光纤传感技术近年来，随着物联网的快速发展，分布式光纤传感技术越来越受到人们的关注。

它是一种新型的传感技术，可以大幅度提高光纤传感的灵敏度和距离，实现对物理环境的实时监测和分布式测量。

本文将从分布式光纤传感技术的基本原理、优点和应用领域等方面进行详细介绍。

一、分布式光纤传感技术的基本原理分布式光纤传感技术是利用纤芯中的散射光和弯曲光来实现对物理环境的实时监测和分布式测量的一种技术。

采用光纤作为传感器，不仅可以实现具有高灵敏度和高精度的测量，而且可以全方位地对物理环境进行监测。

与传统传感技术相比，分布式光纤传感技术具有以下两个特点：1. 分布式感知：分布式光纤传感技术采用一根连续的光纤，通过对光纤的每一段进行监测和测量，达到对整个传感区域进行实时监测和分布式测量的效果，从而可以得到因信号变化而产生的光纤的相应变化。

2. 时间域分析：分布式光纤传感技术是一种基于时间域反射和散射的技术，通过光纤中的微小变化来反映被传感物理量的变化。

采用这种方法可以实现实时监测和分布式测量，同时还可以根据散射和反射光的性质得到更高精度的测量结果。

二、分布式光纤传感技术的优点分布式光纤传感技术具有以下三个优点：1. 高精度：分布式光纤传感技术可以实现对很小的信号和变化的测量，能够达到高精度的检测目的。

它可以实现对多个物理参量的同时测量，并从各个方向和位置监测。

2. 长距离：分布式光纤传感技术的传输距离很远，传感器仅需要一根连续的光纤即可实现全方位的物理参数监测，无需增加其它传感器或者设备，可以节约大量的成本。

3. 实时性：分布式光纤传感技术可以实现对物理环境的实时监测和分布式测量，这一优点也是区别于传统传感技术的重要因素之一。

三、分布式光纤传感技术的应用领域1. 油田勘探：分布式光纤传感技术可以应用于油田勘探，实现对油井，油管，地层渗透率等参数的实时监测和分布式测量。

可以及时掌握油田的状态，提高油田勘探和开发的效率。

消防方面
•隧道、地铁、公路和建筑物的火灾监测和报警
——光纤传感器的优势
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DTS
Reyleigh
背向散射光真正的实现沿着光纤的分布式测量
•领先的光时域反射技术
Brilluous
•完全分布式的测量，大大降低误报和漏报率
分布式光纤温度测量系统
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火灾监测与报警传送带火灾监测
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发电厂监测。