分布式光纤传感器技术

前述5种调制类型的传感器测量的对象都是单个被测点，有些被测对象往往不是个点，而是呈一定空间分布的场，如温度场、应力场等，为了获得这类被测对象的较完整的信息，需要采用分布调制的光纤传感系统。所谓分布调制，就是指外界信号场(被测场)以定的空间分布方式对光纤中的光波进行调制，在一定的测量域中形成调制信号谱带，通过检测(解调)调制信号谱带即可测量出外界信号场的大小和空间分布。简单地说，分布式光纤传感技术就是应用光纤几何上的一维特性进行测量的技术，它把被测量作为光纤位置长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续的测量

大体来说，分布式光纤传感技术可以分为两类:一类是以光纤的后向散射光或前向散射光损耗时域检测技术为基础的光时域分布式，另一类是以光波长检测为基础的波域分布式。时域分布式的典型代表是分布式光纤温度传感系统，技术上已趋于成熟。随着光纤光技术的日成熟，分布式光纤光传感技术发展迅速，已开始在智能材料结构诊断及告警系统中得到应用。利用光纤光栅不仅可制成波域分布式光纤传感系统，而且可制成波域/时域混合型分布式光纤传感系统，还可以采用空分复用技术，组成更加复杂的光纤传感网络系统。

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，其基本特征如下所述。

①分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤，光纤传感器采用光信号作为载体，光纤的纤芯材料为二氧化硅。该传感器具有抗电磁干扰、防雷击、防水、防潮、耐高温、抗腐蚀等特点，适用于水下、潮湿、有电磁干扰等条件比较恶劣的环境，与金属传感器相比具有更强的耐久性。

②现代的大型或超大型结构(如大桥、隧道等)通常为数公里、数十公里甚至上百公里，要通过传统的监测技术实现全方位的监测是困难的，而且成本较高。通过布设具有分布式特点的光纤传感器，光纤既作为传感体又作为传输介质，可比较容易实现长距离、分布式监测。

③分布式光纤最显著的优点就是可以准确地测出光纤沿线任意点上的应力、温度振动和损伤等信息，无需构成回路

④次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图。将光纤架设成光研状，就可测定被测量的二维和三维分布情况。

⑤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。

系统的测量精度与空间分率一般存在相互制约的关系。

①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。

③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。

分布式光纤传感技术由于具备提取大范围测量场的分布信息的能力，能够解决目前测量领域的众多难题，因此具有很大的应用潜力。近20年，产生了一系列传感机理和测量系统，人们主要在以下4个方面开展研究:基于后向瑞利散射的分布式光纤传感技术基于拉曼散射的分布式光纤传感技术、基于前向传输模耦合的分布式光纤传感技术以及基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。