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光纤传感 (2)
上期《光纤传感（1）》介绍了“点型”传感；本期《光纤传感（2）》介绍了可在光纤沿线所有点进行测量的“分布式”传感。在分布式光纤传感中，光纤不仅具有传输传感信息的功能，还具有传感器功能。
首先，为什么光纤本身能够起到传感器的作用？这是因为，当光在光纤中传播时，光纤内部的粒子、成分波动、密度分布等因素会导致光散射，因此，在与传播光相反方向反射的光（称为背向散射光）中会包含信息。
图1显示了背向散射光的光谱以及可以从中获得哪些物理信息。
图 1：背向散射光
相对于入射光而言，背向散射光的强度非常低，但分布式光纤传感通过读取这种背向散射光的微小变化来执行各种类型的传感。
下表总结了分布式传感方法及其特点。
| 测量方法 | 测量项目 | 典型应用 | 光源 |
|---|---|---|---|
| 1. OTDR 1） | 弯曲应变 | 光纤安装的确认与维护 | LD、DFB-LD 6）、增益芯片（脉冲） |
| 2. 正交频分复用2） | 膨胀和收缩应变 | 结构健康监测与维护 | 扫频光源，增益芯片（波长扫描） |
| 3. B-OTDR 3） | 膨胀和收缩应变 | 结构健康监测与维护 | LD、DFB-LD（窄线宽、脉冲） |
| 4. R-OTDR 4） | 温度 | 工厂和管道温度测量 | LD、DFB-LD、增益芯片（脉冲） |
| 5.DAS 5） | 振动、声学 | 地面振动和地下结构勘测 | LD、DFB-LD（窄线宽、脉冲） |
1）OTDR：光时域反射仪或光时域反射计
用于测量瑞利散射强度和分析应变量
2) OFDR：光频域反射仪，
一种光学干涉仪，也称为 FMCW，用于测量瑞利散射强度和分析应变量
3) B-OTDR：布里渊 OTDR
分析布里渊散射中频率偏移引起的应变量
4) R-OTDR：拉曼 OTDR
通过斯托克斯拉曼和反斯托克斯拉曼散射之间的强度差异来分析温度
5) DAS：分布式声学传感，
也称为分布式或分散式声学测量，用于测量瑞利散射的相位并分析振动
6) DFB-LD：分布式反馈激光二极管，
采用沿波导形成的衍射光栅的布拉格反射，具有单振荡纵模的激光二极管
注：本表中的应用仅为代表性示例。
下面对各分布式方法进行说明。
1. 光时域反射计
OTDR 用于在安装过程中检查光纤和网络线路，以及在维护过程中进行测量。具体来说，OTDR 可以分析光纤的传输损耗（包括弯曲损耗）、检测断线、测量熔接点和连接器处的损耗并确定这些点的位置。图 2 显示了 OTDR 测量项目及其相应的传输损耗。
图 2：OTDR 测量和传输损耗
OTDR 将脉冲光输出到被测光纤中，并根据从光纤返回的瑞利散射光或菲涅尔反射光的延迟时间和光强度变化计算其位置和损耗。OTDR 使用 LD 或增益芯片输出波长为 1.3 µm 和 1.55 µm 波段的光脉冲。
可测量距离范围从不到 10 m 的短距离到超过 10,000 km 的长距离（对于海底电缆而言）；这些技术支持着我们以通信为基础的社会。
2. 光频域重构
OFDR 是唯一利用光学干涉原理的分布式光纤传感技术。它采用高相干性的波长扫描光源，可实现 1 µε *分辨率的高精度应变测量，并在数百米的测量范围内实现数厘米的空间分辨率。OFDR 测量原理的详细说明，请参阅“ OFDR/波长扫描光源的优势”设备指南。
*应变单位，1 µε 对应于 1 m 长度膨胀或收缩 1 µm 的变化量。
OFDR 适用于几百米中距离的动态应变测量。典型示例是测量风车、钢塔和飞机机翼等结构中的连续应变分布（图 3）。
图 3：OFDR 测量示例 - 飞机机翼的应变分布
该传感方法采用 1.55 µm 波段的波长扫描光源，但应根据 OFDR 测量要求考虑光源性能。例如，波长扫描范围较宽的光源更有利于获得更高的距离分辨率，而相干长度较长的光源更有利于获得更大的测量范围。
3. B-OTDR
图4显示了B-OTDR的配置。来自光源的光通过光耦合器分成两支，其中一支由光调制器脉冲化后射入被测光纤。光纤中产生的布里渊散射光沿与出射光相反的方向返回，并使用光耦合器分出的另一束光进行异差检测。通过分析布里渊散射光的波长偏移量（=频率偏移量），利用信号处理计算出应变量。
B-OTDR 可以测量分布，距离分辨率约为 10 cm，应变精度为 100 µε，测量范围可达数十公里。虽然该方法测量范围广，但测量需要几分钟来平均布里渊散射光。因此，B-OTDR 不适用于动态测量，而用于静态应变分布和位移测量。B
-OTDR 使用线宽较窄的脉冲光源；具有相对较高光输出的 1.5 µm 波段 DFB-LD 较为合适。
4. R-OTDR
图6显示了R-OTDR的配置。光源发出的光经光调制器脉冲化后射入被测光纤。光纤中产生的拉曼散射光沿出射光的反方向返回，并被分配器分离成拉曼散射的斯托克斯光和反斯托克斯光并被接收。通过分析斯托克斯光和反斯托克斯光之间的强度差来计算温度。
图 6：R-OTDR 测量配置
R-OTDR 可以测量 100 公里范围内的温度分布，距离分辨率可达几米。脉冲光发射间隔会随着距离和所需精度而变化。R-OTDR 需要与 B-OTDR 相同的平均处理过程，实时温度测量较为困难。R
-OTDR 使用脉冲光源；1.5 µm 波段、光输出相对较高的 DFB-LD 和增益芯片较为合适。
图 7：R-OTDR 测量示例 - 监测管道温度
5. DAS
DAS是一种测量光纤振动分布的方法。
图8显示了测量配置。光源发出两束光中的一束以脉冲方式发射。另一束光对来自光纤的瑞利散射光进行异差检测，并分析计算相位变化作为振动数据。
图 8：DAS 测量配置
该传感方法可在数十公里的范围内以10 kHz的高速进行采样，适用于车辆交通分析、地下设备维护的振动测量、页岩气和石油钻探过程中的水力压裂监测以及地震测量等众多领域。它采用窄线宽脉冲光源；1.5 µm波段、光输出相对较高的DFB-LD较为合适。
上海锟联科技公司提供全系列光纤传感光源。如需了解我们的SLD、DFB-LD和波长扫描光源产品信息，请访问我们的网页。
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