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分布式光纤传感技术报告-12.10分布式光纤传感技术是在70年代末提出的，在这十几年里，产生了一系列 分布式光纤传感机理和测量系统，并在多个领域得以逐步应用。目前，这项技术 已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。本文主要介绍了光纤的相关特性， 分布式光纤传感技术的特点、作用及其分类，详细论述了各种分布式光纤传感 器的原理、分布式光纤传感技术的研究现状和具体应用。关键字：光纤分布式光纤传感技术原理研究现状应用摘要引言1、分布式光纤传感技术简介1.1光纤基础知识1）光纤的结构特性2）光纤的机械特性3）光纤的损耗特性2、分布式光纤传感技术原理2.1基于光纤后向散射的全分布式光纤传感技术2.1.1基于OTDR的微弯传感器2.1.2基于自发拉曼散射的光时域散射型（ROTDR）传感器2.1.3基于受激拉曼效应的传感器2.1.4基于自发布里渊散射的光时域反射型（BOTDR）传感器2.1.5基于受激布里渊散射效应的传感器1）基于布里渊散射的光时域分析型（BOTDA）传感器2）基于布里渊散射的光频域分析型（BOFDA）传感器3）基于布里渊散射的光相关域分析型（BOCDA）传感器4）基于布里渊散射的光相关域反射型（BOCDR）传感2.1.6基于瑞利散射的偏振光时域反射型（POTDR ）传感器2.1.7基于相位敏感的光时域反射型（中-OTDR ）传感器2.2长距离干涉传感技术2.3基于光纤干涉仪的准分布式光纤传感技术2.4基于FBG的准分布式光线传感技术3、分布式光纤传感技术国内外研究进展4、分布式光线传感技术应用实例0引言光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来 的，以光波为载体、光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。 作为被测量信号载体的光波和作为光波传输媒质的光纤，具有一系列独特的、 其他媒介难以相比的优点。第一光波不产生电磁干扰，也不受电磁干扰影响， 易被各种光探测器件接收，可方便地进行光电或电光转换，易于与现代化装置 和计算机相匹配；第二光纤工作频带宽，动态范围大，适合于大范围、远距离 组网和遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；在一定条件下，光纤特别容易 接受被测量加载，是一种优良的敏感元件；光纤本身电绝缘，体积小，易弯曲， 抗电磁干扰，抗辐射，耐压，耐腐蚀，特别适合于易燃、易爆、空间狭窄及强 电磁干扰等恶劣环境下使用。分布光纤传感技术一问世就受到极大地重视，几 乎在各个领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动传感技术的蓬勃发 展。1分布式光纤传感技术简介1.1光纤基础知识光纤是光导纤维的简称，是一种重要和常用的波导材料，它利用光的全反 射原理将光波能量约束在其界面内，并引导光波沿光纤轴线方向传播。在将光 纤作为传感材料应用前，需掌握光纤的结构特性、机械特性以及损耗等特性， 依据工程实际的特点选择合适的传感光纤。1）光纤的结构特性光纤的主要结构包括纤芯、包层、涂覆层及护套层1其中纤芯和包层为光 纤结构的主体，对光波的传播起决定性作用。纤芯直径一般为5叱-75叱主要 材料为二氧化桂，掺杂有极微量的其他材料，如二氧化错、五氧化二碟等，以 提高纤芯的折射率；包层为紧贴纤芯的材料层，其光学折射率稍小于纤芯材料， 包层可设置一层或多层，其总直径一般为100灿-200灿。包层的主体材料也是 二氧化硅，但其微量掺杂材料一般为三氧化二硼或四氧化二硅，以减低包层的 折射率；涂覆层的材料一般为硅酮或丙稀酸盐，用于隔离杂光；护套的材料一 般为尼龙或其他有机材料，用于增加光纤的机械强度，起到保护光纤的作用。光纤传感器按照结构特征可分为松套光纤和紧套光纤，松套光纤是涂覆层 以内的结构可在护套层内自由移动，可作为通信光纤或者温度补偿光纤使用； 紧套光纤则是将塑料紧套层直接加工在光纤涂覆层外，涂覆层以内的结构与包 层不发生相对移动，该类型光纤一般用以应变传感。2）光纤的机械特性普通外径125 m左右的通信光纤，如不存在裂纹则可承受30kg左右的拉力 作用，然而纤芯中不可避免地存在细裂纹，裂纹在拉力作用下会不断扩展，明 显降低光纤的断裂强度。因此，实际的抗拉力仅为7kg左右，但光纤的抗拉强 度比起同样粗细钢丝要大1倍。保证光纤制造过程中热源清洁、涂料无尘、拉 丝温度合理、高质量研制棒等，可获取高机械强度的光纤产品。3）光纤的损耗特性光波在光纤中传输时，光功率不仅随传输距离增加而呈现指数衰减，还存 在吸收损耗、散射损耗等固有损耗。同时，传感器铺设过程中也存在光纤损耗 的可能，如光纤弯曲时的曲率半径过小，也会使得光纤内的光在纤芯和包层界 面上出现泄漏而产生损耗；光纤之间的连接质量也是引起光纤损耗的重要原因， 如纤轴错位、纤轴倾斜、端面有间隙、端面不平整等都有可能引起较大的损耗。 目前，光纤间的相互连接采用光纤熔接机进行高温熔化对接，主要经历纤芯保 护层去除、清洁裸纤、端面切割、光纤溶接等工序，各工序均为精细操作，如 操作不当均有可能引起明显的光损。光纤的固有损耗在光纤制造工艺不断提高 下，其影响已经相当小，而弯曲、熔接操作不良等引起损耗是人为现象，其损 耗往往超过固有损耗几个数量级，如不进行严格控制将引起线路失效。1.2分布式光纤传感技术光纤传感器可用于通讯、工程、物理参数测量等领域，随着技术和需求的 发展，它由单点检测逐渐发展成为多点准分布式和全分布式检测.分布式光纤传 感测量是利用光纤的一维空间连续特性进行测量的技术。光纤既作为传感元件， 又作为传输元件，可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参数进行连续测 量，同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息，由于分布式传感技 术能够实现大范围测量场中分布信息的提取，可解决目前测量领域的众多难题， 因此成为目前国内外研究的热点。分布式光纤传感器的种类很多，根据监测空间的范围不同，主要可分为准 分布式光纤传感器和全分布式光纤传感器两类：准分布式光纤传感器是把空间上呈一定规则分布的相同调制类型的光纤传 感器耦合到一根或者多根光纤总线上，通过寻址、解调，检测出被测量的大小 及空间分布，光纤总线仅起到传光作用。因此，准分布式光纤传感系统实质上 是多个分立式光纤传感器的复用系统。根据光波被外界信号调制的光波的物理 特征参量的变化情况，可将光波的调制分为光强度调制、光频率调制、光波长调制、光相位调制和偏振调制这几种类型。按照寻址方式的不同，它又可以分 为时分复用（TDM）、空分复用（SDM）、波分复用（WDM）、频分复用（FDM）、偏 分复用（PDM）等几类，其中时分复用、波分复用和空分复用技术较为成熟，复 用点数越多。准分布式光纤传感器中常用的复用光纤传感器主要有以相位调制 型光纤干涉仪和波长调制型光纤布拉格光栅（FBG）。全分布式光纤传感器是利用一根光纤作为延伸的传感元件，光纤上的任意 一段既是传感单元，又是其他传感单元的信息传输通道，因而可获得被测量沿 此光纤在空间和时间上变化的分布消息。它消除传统传感器存在的传感“盲区”， 从根本上突破了传统的单点测量限制，是真正意义上的分布式光纤传感器。全 分布式光纤传感器主要有两大类：一类基于光纤后向散射的光时域反射技术 （OTDR），另一类是基于长距离干涉技术，全分布式光纤传感器利用一根光纤取 代大量的分立传感器进行测量，大大降低了造价，性价比很高，得到了广泛地 应用。2分布式光纤传感技术原理目前分布式光纤传感技术主要有基于光纤后向散射的全分布式光纤传感技 术、长距离干涉技术、基于光纤干涉仪的准分布式光纤传感技术以及基于FBG 的准分布式光线传感技术等。目前分布式光纤传感技术使用的方法主要有反射法、波长扫描法和干涉法， 上述传感技术中，基于光纤后向散射的全分布式光纤传感技术采用的就是反射 法，可分为光频域反射法和光时域反射法；波长扫描法的测量主要是利用保偏 光纤（保偏光纤能够保证线偏振方向不变）在外部扰动作用时发生模式耦合效 应实现的，该方法分辨力高，但测量范围小，系统成本高，不利于使用化；干 涉法是利用各种形式的干涉装置对干涉光路中光波的相位解调，从而得到被测 量信息的方法。2.1基于光纤后向散射的全分布式光纤传感技术依据所监测信号的不同，主要分为基于拉曼（Roman）散射的分布式温度 传感器、基于瑞利（Rayleigh）散射的分布式光纤损耗检测传感器及基于布里 渊散射（Brillouin）的分布式应变传感器。当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中含有各种杂质，导致激光和光纤 分子出现相互作用，从而产生瑞利、拉曼和布里渊这三种散射光。如光纤沿线 被测物理量发生变化，将引起散射光的频率发生偏移，可利用光时域反射技术 分析上述频移信号，获取被测物理量的大小、时间及空间信息。1997年Barnoski博士首先提出了光时域反射技术OTDR（Optical Time Domain Reflection）技术， 结合瑞利散射来检测光纤沿线故障检测，目前该技术已成为光纤领域必不可少 的线路检测工具，其检测原理如图2-1所示；脉冲光图2-1分布式光纤传感原理由图2-1可知，当激光脉冲在光纤中传输时，产生的散射光将背向发射至激 光入发端，在此时域里，入射光经背向散射返回至光纤入射端所需的时间为t， 脉冲光所走过的路程长为2L:L = v x -2（2-1）式中V（V=c/n）光在光纤中的传播速度，c为真空中的光速，n为光纤 折射率（n一般为1.5 ）。在时域里，可测量得到时刻距离光纤入射端距离为处的局部背向散射光。 基于上述原理，在任意时间t内计算得到光纤沿线方向的散射光信息。由光纤的 散射光谱可知，光纤局部存在多种散射光类型（瑞利、布里渊、拉曼散射），依 据不同的散射光分析技术可实现不同物理参数的分布式检测。2.1.1基于OTDR的微弯传感器4微弯型光纤传感器是根据光纤微弯形变引起纤芯或包层中传输的光载波强 度变化的原理制成的全光纤型传感器。这种传感器主要用于对应变、温度等物 理场的检测。其检测分辨率可达到01nm（ 0.l nm=1 0-9 m）级位移水平，检测动 态范围达到100d B以上。微弯型传感技术可分为亮场型和暗场型两种。前者是通过对纤芯中的光强度的变化来实现信号能量的转换；而后者则检测的是包层 中的光信号。微弯型光纤传感器的换能装置是由一种能够引起光纤产生微弯变形的部件 _变形器与光纤构成的。如图2所示，变形器由上下两块带有均匀锯齿槽的夹 板组成，其齿距为L ,并且二个锯齿槽能够很好地相互吻合。在二板间夹有一 根光纤。当外场对夹板的作用力F发生变化时，光纤的微弯变型幅度将随之变 化，并进一步引起光纤中耦合到包层中的辐射模也发生相应的变化。图2-2微弯光纤传感器2.1.2基于自发拉曼散射的光时域散射型（ROTDR）传感器在任何分子介质中，光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用会引起 频率发生变化的散射称为拉曼散射。分子吸收频率为V0的光子，发射V0-V.的 光子，同时分子从低能态跃迁到高能态（对应为斯托克斯光）；分子吸收频率 为V0的光子，发I射V0+Vj的光子，同时分子从高VV能态跃迁到低能态（对应为反斯托I克斯光）。V f.A M 土 V.I图2-3拉曼散射信号量子分析由于拉曼散射由分子热运动引起，所以拉曼散射光可以携带散射点的温度 信息，而且反斯托克斯光的幅度强烈依赖于温度，而斯托克斯光则不是，所以可通过测量斯托克斯光与反斯托克斯光的功率比探测温度的变化，其结果消除 了光源波动、光纤弯曲等因素的影响，只与沿光纤的温度场有关，因此可长时间 保 证 测 温 精 度。由于自发拉曼散射光一般很弱，所以必须采用高输入功率，且需对探测到的后 向散射光信号取较长时间内的平均值。图2-4基于自发拉曼散射的分布式光纤温度传感器原理2.1.3基于受激拉曼效应的传感器强泵浦脉冲注入单模光纤，在斯托克斯波长下，与光纤另一端注入的连续 探测光相互作用产生非线性效应一受激拉曼效应。根据受激拉曼效应的强度可 以测量应变、压力等外力场。2.1.4基于自发布里渊散射的光时域反射型（BOTDR）传感器在BOTDR中测量的是布里渊散射信号与布里渊散射光频率相关的光纤材 料特性主要受温度和应变的影响，因此，通过测定脉冲光的后向布里渊散射光图2-5检测原理2-5图连续光被部分，一部的频移就可实现分布式温度、应变测量51 BOTDR相干检测原理如图2-5：BOTDR相干中光源发出的 耦合器分成两 分由电光调制 器调制成脉冲光，入射到传感光纤，另一部分作为本振光进入参考光路。由脉 冲光产生的背向散射光进入光电检测器与本振光进行相干检测，取出差频分量， 即布里渊频移信号，对布里渊频谱进行分析即可得到布里渊参数的变化，从而 解调出温度和应变信息，背向散射光与脉冲光之间的时延提供了对光纤位置信 息的测量。2.1.5 基于受渊效感器于的分纤传激布里应的传（1）基BOTDA布式光感技术于微波外调制的单激光器环形BOTDA系统，用耦合器将光源分为两路或者根 据需要将2根光纤对来实现单端入射，以此简化设备，减少测量时间，并能达到较高 度。基 调制的 光纤传 图 2-6：的测量精 于微波外BOTDA感系统如图2-6基于微波外调制的BOTDA光纤传感系统系统采用1550nm工作波长的窄线宽激光器，通过3 dB耦合器将光源分为 两路。其中一路光信号由电光调制器（EOM1）调制成脉冲光，经过掺铒光纤放 大器放大，光栅滤除EDFA产生的自发辐射噪声后进入传感光纤。耦合器的另 一路光信号由EOM2调制产生约11 GHz频移。当光纤中相向传输的两路光的 频率差与光纤的布里渊频移一致时，受激布里渊散射作用最强。探测光通过环 形器进入光电检测器检测，再由高速数据采集设备（A/D）和计算机进行叠加 平均和频谱拟合，就可确定光纤各段布里渊增益达到最大时所对应的频率差， 该频率差与光纤各段上的布里渊频移相等，因此能够确定与布里渊频移呈线性 关系的温度和应变，从而实现应变或温度的分布式测量。（2）基于BOFDA的分布式光纤传感技术BOFDA是基于测量光纤的传输函数实现对测量点定位的一种传感方法。这 个传输函数把探测光和经过光纤传输的泵浦光的复振幅与光纤的几何长度关联 起来，通过计算光纤的冲击响应函数确定沿光纤的应变和温度信息。BOFDA传 感系统原理如图2-76：图2-7基于BOFDA的分布式光纤传感技术图2-7中，一束窄线宽连续泵浦光从一端入射进单模光纤，另一束窄线宽连 续探测光从光纤的另一端入射。探测光的频率被调节到比泵浦光频率低，且两 者频率差近似等于光纤的布里渊频移。探测光由一个频率f m可变的正弦信号进 行幅度调制，对每一个确定的信号频率值，由光电检测器分别检测探测光和泵 浦光的光强，光电检测器的输出信号输入到网络分析仪，由网络分析仪计算出 光纤的基带传输函数。网络分析仪输出信号经模/数转换后进行快速傅立叶反变 换，其输出信号h（t）中即包含了沿光纤轴向的温度或应变分布信息。（3）基于BOCDA的分布式光纤传感技术BOCDA技术7采用频率调制的连续泵浦光和探测光并求两者相关函数，是 一种可大大提高分布式光纤传感系统空间分辨率的技术方案，其实验系统的空 间分辨率理论上可达到毫米量级。传感光纤两端分别入射连续探测光和连续泵浦光，这两束同步调制光在一 个正弦波上产生一个相关的周期峰，并在光电检测器上接收锁相放大器的同步 信号。基于BOCDA的分布式光纤传感器如图2-8：图2-8基于BOCDA的分布式光纤传感器探测光与泵浦光发生受激布里渊散射后依次经过环行器、光滤波器和光电 检测器，然后由锁相放大器检测周期峰的相关度来确定光纤上发生布里渊散射 的位置，从而实现分布式测量。(4) 基于BOCDR的分布式光纤传感技术BOTDR作为单端通路系统相对于双终端通路系统更加有利，但是不能同时 满足高精度和高空间分辨率的测量。基于BOCDR的分布式光纤传感系统如图 3-88：图2-9基于BOCDR的分布式光纤传感系统耦合器将光源分为两路，一路为参考光，被用作本振光，经延时后在平衡 光电检测器上相加取其自相关；另一路为泵浦光，经环行器送入传感光纤，经 传感光纤散射的斯托克斯光被送入平衡光电检测器，两路信号经平衡光电检测 器之后被送入频谱分析仪。2.1.6基于瑞利散射的偏振光时域反射型(POTDR)传感器入射光为偏振光，背向瑞利散射光与入射光偏振方向相同。当光纤的某点 受到作用，由弹光效应引起偏振状态的变化，实时探测散射光偏振态的变化即 可获得应力等参量的空间分布。从微弱的散射信号中提取偏振态演化信息是 POTDR分布式传感器的关键。2.1.7基于相位敏感的光时域反射型(中-OTDR )传感器在OTDR系统中，如果光源的线宽足够窄，相干度很高，那么从光纤的不 同部分返回的散射光会发生干涉。利用这种散射光的相干性设计出的相位敏感 型光时域反射系统，可以探测出传统OTDR系统无法察觉的弱信号的干扰。相位敏感OTDR ( -OTDR )与传统型OTDR最大的不同就是采用了相干 光源，并且要求光源具有窄线宽和低频率漂移特性。2008年，谢孔利等提出 了一种采用大功率超窄线宽单模光纤激光器作为光源的4 - OTDR分布式传感系 统。激光器结构如图2-10所示。*pumpactiveWB - FBG, N E- FBG: wide- and WDM iinrrur-band fiber Brug jnit.ings;WDM: wiileEilh division3-crmultiplexersignalISO: iaolator图2-10激光器结构早一O1DK激光腔由两个光纤布拉格光栅（FBG）与一段很短的高增益有源光纤熔接 在一起组成，超窄带光纤布拉格光栅（NB-FBG）和另一个宽带、高反射率的光 纤布拉格光栅（WB-FBG）形成激光腔，该激光器的线宽fW3 KHZ,频率漂 移很小，在正常的实验室条件下为11.5 MHZ / min，输出功率为50mw。实验系统结构框图如图2-11所示。光纤激光器发出的连续光，经过电光调 制器（EOM ）后产生光脉冲，光脉冲被掺铒光纤放大器（EDFA）放大，由带 通滤波器（8?1包含FBG的结构）滤除自发辐射光后通过一个3dB耦合器进 入传感光缆。用带有前放和滤波功能的光电探测器探测后向瑞利散射光，采用 300 KHZ的低通滤波，用采样率为50 MS/S的数据采集卡（。人0采集数据, 并用MATLAB软件处理数据。传感光缆采用普通单模光纤制成的直径3mm的 细光缆，并埋设于室外。定位精度可达到50m，定位范围可达到14km，信噪比 约为12dB，且灵敏度较高。Fiber Jaser1 EDMRPF2 km fiber 12 km2 kmfiber fiherfibercontpuLerDACVpholodeoeclormstrumeiuJcoupkr92 11巾再辨实验系统结构框图早一O1DK2.2长距离干涉传感技术传统观念认为，干涉仪多用于高灵敏度的点式传感器如水听器（又称水下 传声器（underwater microphone ），是把水下声信号转换为电信号的换能器）, 而由于相干条件的限制难以做到长距离。随着激光器技术的发展，达到|?kHZ 线宽的激光器逐步问世，激光光源的相干性越来越强，使得长距离光纤干涉仪 成为可能。特别是萨格纳克干涉仪，其自身具有的对称平衡性使其可以工作于 低相干光条件下，因此近年来对长距离干涉技术的研究也越来越广泛，成为分 布式传感的一个重要分支。干涉技术最大的优点是干涉检测的灵敏度极高，光 纤本身既是传输媒质又是感知元件，光纤上任意一点都是传感单元，能够实现 “海量”检测，是一种真正意义上的全分布式光纤传感器。同时相比于后向散射型分布式传感器，干涉仪探测正向传输光信号变化的方向发展，因此测量信 噪比和准确率都高得多，传感距离也长得多，数据处理简单，实时性好。干涉 仪不仅适合测量静态、半动态信号，更适合于动态信号的检测。由于干涉仪属于相位调制型传感器，长距离干涉仪沿线的相位积累和正向 光传输使得如何准确定位信号成为分布式传感中的一大难题，目前国外研究取 得了一定的进展，在已经报道的技术中，大多采用将马赫一泽德、萨格纳克以 及迈克尔逊等干涉仪混合使用，通过特殊光路结构使得两个干涉仪共享同一条 传感光纤，并采用光纤延时线使得两个干涉仪之间产生光程差，从而依靠两个 干涉仪的输出得到待测量的大小和发生位置，实现分布式测量。基于上述原理的分布式长距离干涉传感器从特殊结构设计上实现了分布定 位，而对多点同时发生干扰的情况无能为力，这实际上限制了其在长距离分布 式传感器中的应用。Russell S J等人提出了一种基于双萨格纳克干涉和波分复 用技术的分布式光纤传感器，能够实现多点干扰检测和定位，但是结构复杂， 成本高。2.3基于光纤干涉仪的准分布式光纤传感技术常用的光纤干涉仪主要有马赫一泽德干涉仪、迈克尔逊干涉仪和萨格纳克 干涉仪，由于光纤干涉仪属于相位调制型传感器，最终表现为输出光强受到调 制。因此这类传感单元主要以时分复用和空分复用为主，且由于马赫一泽德干 涉仪的直线平衡结构，串并联使用方便，因此在准分布式传感中应用最为广泛。由于干涉仪输出光强是相位变化的非线性函数，要想获得待测参量的大小， 必须从调制光强中恢复相位调制信息，因此马赫一泽德干涉仪关键技术是相位 解调方法，近年来国内外经研究形成了多种解调方法，如零差解调法和外差法 解调等。2.4基于FBG的准分布式光线传感技术FBG传感表现为中心波长调制（或波长编码），通过对FBG反射波长移动 的监测即可测量外界参量的变化，探测能力不受光源功率波动、光纤弯曲损耗、 探测器老化等因素的影响，适合长期安全监测。鉴于FBG对温度、应力、压力 和振动等外界参量的高灵敏度传感功能，同时又具有体积小、动态区间宽、可 靠性高、可大规模生产和远程操控能力强等突出优点，因而成为目前光纤传感领域内最有力的竞争者。为了将FBG更好的应用于分布式光纤传感器中，增加可检测区域范围，提 高检测空间分辨率和精度，同时降低系统成本，如何有效提高FBG的复用能力 是急待解决的技术难题。目前对光纤光栅复用技术的研究受到广泛关注。复用 的FBG主要有两种：中心波长不同的非同光栅以及中心波长、带宽、敏感特性 均一致的全同光栅。3分布式光纤传感技术应用现状分布式光纤传感器作为近二十年内才发展起来的新型监测技术，经历了理 论研究、传感器研制、室内试验、工程应用等阶段。目前，已有多家公司可提 供性能稳定的BOTDA/R，依托商业化的传感器，国内外学者进行了一系列室内 试验和现场应用，主要进行了分布式光纤传感器标定，研制新型传感器封装方 式，开发新的应用领域等工作。在试验室研究方面，吴智深对基于BOTDR的光纤变形检出特性进行了试 验研究，包括光纤拉伸和压缩试验，有利于理解光纤所测应变数据的意义。索 文斌提出了采用等强度梁和BOTDR标定传感光纤的温度频移系数及应变频移 系数的方法，为将普通通讯光纤标准化为分布式光纤传感器进行标定。高俊启 通过将分布式传感光纤布设在钢筋和混凝土表面，通过静载试验研究了试验梁 性能，同时对的测量误差进行了分析。同时，分布式光纤传感技术最大的优点在于其可实现结构物理量的分布式 监测，能克服了传统点式传感器存在漏检现象的缺点，使其在结构完整性评估、 裂缝监测等方面具有一定的优势。Nishio采用PPP-BOTDA测试了埋设在由复 合材料组成的梁内部的光纤应变，验证了由分布式应变反算结构变形的可行性， 后期将该技术应用在平板变形反演中，Akiyoshi等人将技术应用于2000年美洲 杯帆船赛的曰本队帆船优化设计中，通过测试数据评估了曰本队帆船的完整性 和受力作用下的响应。Takeda等人采用AQ8602B型对飞机机身的片状结构的 制造过程及后期加载进行了应变检测，提出通过分析布里渊频谱提高空间分辨 率及识别动态应变，依托上述技术建立飞行器应变检测系统。Lee提出一种结合 分布式光纤传感技术和神经网络技术的结构损伤方法，并在对一根具有预制裂 缝的梁进行了测试。Zhang利用BOTDR对裂缝进行了监测并分析其应用于裂 缝监测的可行性。Zou通过试验提出了利用布里渊散射的光纤应变判断裂缝开展 过程。Lu等人将裂缝监测技术应用于某新青铺装层的裂缝监测中。钱振东等人 开展了基于BOTDA的桥面板疲劳裂缝监测研究，利用光纤应变得到了疲劳扩 展模型。布式光纤传感技术还具有化学稳定性等优点，可在锈独、潮湿、高温等环 境中存活。轩元认为当钢筋锈蚀到一定程度之后，在局部锈烛区域钢筋与混凝 土的粘结性能下降，导致钢筋以及周围混凝土的应力、应变发生变化，通过比 较不同时间的BOTDA监测结果可推断出钢筋的锈烛状况。甘宇宽将传感光纤 按一定的方式布设在被测物的内部和表面，监测被测混凝土在钢筋锈姓情况下 的锈胀力以判断钢筋锈烛的过程。Pamukcu设计了基于布里渊散射的含水量光 纤传感器，采用亲水聚合物作为含水量的传感元件，并将其仅仅缠绕在光纤周 围，水分变化将引起聚合物膨胀或收缩，从而产生光纤应变，其值变化反应了 含水量变化过程。在将分布式光纤传感器应用于实际工程前，需考虑传感光纤的存活问题， 如不对裸光纤进行合理的封装和保护，则难以获取理想的监测数据。Zeng采用 Bao等课题组研发的系统，测试了一根长1.65m的钢筋梁的三点及四点加载应 变，采用了两种光纤保护方式，一种是将光纤埋入玻璃纤维筋（GFRP），另一 种是采用环氧树脂将光纤枯结在钢筋表面，结果表明上述方式保护的光纤均能 存活并具有备好的测试结果;Matta以钢纤维带的形式在钢桥表面布设分布式光 纤，可同时实现应变监测和温度补偿，并采用AQ8603型BOTDR测试该桥加 载过程中的应变。刘永莉认为光纤固定困难制约了应用光纤监测的许多领域， 针对边坡变形监测中光纤固定方面遇到的问题，利用摩擦力对张力分布的影响， 提出采用缓绕方式固定光纤的方法，并结合滑坡监测工程实践，提出了合理设 计布线方式。Wu还采用BOTDR并结合点式固定传感光纤和全线枯结传感光纤， 对PBO-FRP的加固效果进行了评估和分析。于立朋采用树脂加玻璃纤维的复合 材料对传感光纤进行封装，结合BOTDA技术实现了变压器绕组温度在线监测。 Zhou设计了一种FRP加固的长标距光纤传感器，通过电镜扫描、理论分析、荷 载试验研究了其表面牲结强度、力学性能、应变传递性能等，并将其应用于某 高速公路和大庆油田油井。由于分布式光纤传感技术具有测试范围大的优点，主要应用于大型土木 工程中。如海底管道、输油、输气方面，Li等人依据海底管线监测的技术要求, 如可实现长距离、小空间分辨率、大变形、多参量测试等，设计了试验方案分 别模拟了室温、高温下管道的拉伸及弯曲破坏，并采用分布式光纤传感器(DTSS 系统)测试了管道应变。Zou在室内采用15cm空间分辨率的PPP-BOTDA监测 了 2667m，直径762mm管道的屈曲，并成功监测到了屈曲发生部位。Zhang等 利用Bao课题组技术进行了管道屈曲试验，通过对布里渊频谱分析成功预测了 屈曲的幅度及位置。Inaudi还利用布里渊散射对温度敏感的特性设计了管道漏 气监测方法，并采用模拟试验验证了该方法的有效性。在桥梁、随道、道路等交通工程方面，Kluth等采用系统监测对工钢梁3.0m 纯弯曲加载试验，并对Daejeon Railway Station的火车铁轨进行了应变测试。 Glisic认为将分布式光纤传感器应用于裂缝监测存在空间分辨率小、应力集中过 大等难题，提出通过识别布里渊频移第二峰值的方法进行裂缝判断，设计了合 理的光纤固定方式将其应用于某桥梁裂缝监测。Zhang建造于1995年的沪宁高 速某桥梁的破坏性试验进行分布式应变监测，应用测试的应变场对桥梁损伤进 行了时域和空间域的分析和判断。钱振东为验证BOTDA测试莉青混凝土铺装 层裂缝的可行性，进行了光纤抗压、温度交变及裂缝模拟试验，比选了裸光纤 和紧套光纤的抗压及裂缝监测能力，建立了布里渊频移和裂缝宽度之间的关系， 应用表明BOTDA对实际路面温度、残余变形和裂缝监测具有很高的测量精度 和稳定性。周智等人采用耦合器和光开关实现了 FBG和BOTDA/R的共线测试， 并在试验室测试了钢筋混凝土梁和平行钢丝拉索索力，实现了一根光纤完成全 尺度分布式和局部高精度测试的目的。施斌先后在南京的鼓楼随道、玄武湖随 道以及昆明白泥井号障道布设了传感光纤，建立了基于BOTDR技术的分布式 光纤应变监测系统。在岩土工程方面，Klar提出采用分布式光纤构件监测网，自动检测随道开 挖过程造成的扰动、沉降等现象，并进行了室内模拟试验；相同的应用， Delepine-Lesoile 采用 BOTDR 和 Optical Frequency Domain Reflectometery (OFDA)技术进行了地表塌陷的模拟试验，两者均能感应塌陷的发生，但OFDR 具有更高的灵敏度。丁勇利用BOTDA分布式光纤传感技术，将普通H型钢改 造成为自感知桩体，使之能够在基坑开挖过程中自动获取H型钢翼缘应变、桩身弯矩、晓度等受力变形数据。刘杰采用BOTDR技术对深基的土体水平位移 进行了监测，并提出了相应的施工工艺流程。黄志怀采用AQ8603测试了 GFRP 锚杆的拉伸应变。葛捷在堤坝表面铺设传感光纤以监测海堤沉降。张俊义将传 感光纤埋入混凝土格构和贯穿于滑体得水泥阶路，构成分布式光纤监测网，采 用AQ8603测试了三峡巫山残联滑坡的变形，依据监测结果对光纤种类、铺设 方式、空间分辨率、监测周期、温度补偿等关键问题进行了解释和思考。Kato 介绍了三个利用BOTDR技术监测边坡失效的工程实例，其间利用监测数据估 计塌方出现的时间，可进行灾害的提前预警。刘永莉用BOTDR对浙江省龙丽 高速的某滑坡进行长期监测，并设计了光纤缠绕固定技术进行了浙江省诸永高 速的某滑坡监测。4分布式光线传感技术应用实例光纤传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之 一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成 信息产业的三大支柱。由于分布式光纤温度传感系统中的检测光纤本征无源不 带电，耐高电压和强电磁场、耐电离辐射，抗射频和电磁干优，防雷、防爆、 抗腐蚀，能在有害环境中安全运行，是实用的“本安”型传感器，因此，在电 力系统、交通领域、隧道、大坝、石油、化工、煤矿等危险区域的大面积、大 范围的温度报警和火情监测等领域，已成为光纤传感技术和检测技术应用的发 展趋势。4.1电力工业10智能电网的基本特征就是信息化、自动化和互动化，要实现这一目标，作 为信息采集的关元器件，传感器是不可或缺的，而光纤传感器由于其自身的优 点，必将在电力系统中获得广泛的应用。采用分布式光纤传感器对输电线路进行温度测量在国外已经得到广泛应 用，而国内也在积极地开展这方面的研究工作分布式光纤传感器在输电环节的 另一种应用，则是对输电线路的塔、线的结构健康监测，尤其是监测输电塔、 线在恶劣环境（覆冰、大风、高低温等）下的受力情况，确保电力系统的安全可靠 运行，这方面的研究处于起步阶段。如何充分利用光纤传感器多参数测量的优 势，如何将分布式光纤传感系统对温度和应力进行测量与电缆故障诊断技术相 结合，构成基于光纤传感器的电缆在线故障诊断系统，实现电缆温度、应力应 变的实时监测和动态载流量分析，实时进行电缆电气故障分析、识别和定位， 保障智能电网的安全可靠运行，将是分布式光纤传感器在输电环节应用的重点 发展方向。高压电气设备中由于微波和电磁干扰的影响，传统的测温方法难于或者根 本无法得到真实的测试结果。而分布式光纤温度传感器与传统的各类温度传感 器相比，其具有一系列独特的优点：使用光纤作为传输和传感信号的载体，有 效克服了电力系统中存在的强电磁干扰；利用一根光纤为温度信息的传感和传 导介质，可以测量沿光纤长度上的温度变化；采用先进的OTDR技术和 Raman散射光对温度感的特性，探测出沿着光纤不同位置的温度的变化；实现 真正分布式的测量，非常适合各种长距离的温度测量、在线实时监测等。4.2道路交通4.2.1在列车温度测量方面的应用列车车厢防火监控列车需要对车厢中的温度进行测量，以达到防火监控的 目的。目前列车上主要使用烟雾报警器和红外报警器来进行防火监控，但这类 系统存在两个方面的问题：一是它们只能在火灾发展到明火阶段后才能发现， 无法将火灾消灭在隐患阶段；二是它们的可靠性较差，常发生误报，例如乘客 在车上吸烟时就会触发烟雾报警器。目前有一种基于光纤拉曼散射的分布式光 纤拉曼温度传感器，它可以利用一根普通光缆对数公里范围内光缆周的环境温 度进行测量，测量精度达到土1力，它还可以对测量点的位置进行精确定位， 精度可以达到lm11以内。利用该传感器进行消防监控，可以在温度发生异常 时就进行报警，将事故消灭在萌芽阶段。该传感器目前已经广泛应用于管道泄 漏监测、地铁隧道消防监控、电缆沟消防监控，在车厢防火监控中也有着潜在 的应用前景。4.2.2在铁道灾害防治中的应用12山坡上布置基于布里渊散射的分布式光纤布里渊应力传感器。这种传感器 利用光纤中的背向布里渊散射进行测量，可以同时测量光纤沿线的温度和应力 情况，并且可以精确定位测量点的位置。将这种光纤固定山体上的锚杆中，当 山体发生滑坡时，碎石带动锚杆移动，从而拉扯光纤产生应力。根据散射光的 强度和返回时间，即可知道山体滑坡发生的地点。该传感器只需要使用普通光 纤，成本较为低廉，同时其测量范围远远大于光纤光栅传感器，可以达到几公 里甚至几十公里。在北方，严重结冰发生的概率更大，每年都给铁路交通运输造成很大损失。 分布式光纤布里渊应力传感器可用于输电线的结冰监测。其方法是，将测量光 缆与输电线安装在一起，当有结冰和积雪发生时，会导致测量光缆被拉伸，通 过应力测量即可知道输电线缆是否有断裂的危险，并可准确地知道事故发生地 点的位置。这种传感器体积小、质量轻，不会给输电带来额外的负荷；抗电磁 干扰能力强，可以传输很远的距离；同时它准确判断位置的能力也是电类传感 器无法做到的。4.3工程应用13,14应用于工程领域的光纤传感技术主要有光纤光栅（FBG）、瑞利散射光时域 反射（002和拉曼光时域反射（ROTDR）、布里渊光时域反射（B0TDR） 或布里渊光时域分析（BOTDA）。每种光纤传感技术的特点不同。适用于不同 的监测对象。FBG技术主要进 行点式高精度监测，具有高速实时监测的性能， 适用于桥梁、隧道的重点部位的监测，成本适中，但是其监 测点数有限并存 在盲区。其他几种传感技术的特点及应用如表1所示。分布式光纤传感技术优缺点应用成本低、测量精度低、应用最早，后向瑞利散射目前研究甚少传感距离短周界入侵、振动监测空间分辨力1 m、目前已成熟自发拉曼散射温度分辨率1 oC、建筑物渗漏、火灾情况测量范围48 km,成本适中布里渊散射前向传输模耦合测量精度高、传感长度长达51 km、空间分辨率0.5 m、成