分布式光纤声振传感技术原理与瑞利散射机制解析

分布式光纤传感技术（Distributed Fiber Optic Sensing，简称DFOS）作为近年来迅速发展的新型感知手段，已广泛应用于边界安防、油气管道监测、结构健康诊断、地震探测等领域。其子类技术——分布式光纤声振传感（Distributed Acoustic Sensing，简称DAS）利用光纤本身作为传感介质，实现对外界声波、振动信号的高灵敏、长距离监测，其核心物理基础之一就是瑞利散射现象。

一、DAS系统原理概述

DAS系统通过向光纤中注入一束窄脉宽的激光脉冲，并监测其沿光纤后向散射的光强变化，从而实现对外界振动事件的定位和识别。整个系统包含激光源、调制器、光放大器、耦合器、光电探测器、数据采集卡及数字信号处理单元等模块。

当激光脉冲在光纤中传播时，会与光纤微观结构中的不均匀性（例如微小杂质、密度波动、折射率起伏等）相互作用，产生瑞利散射光。瑞利散射的光波中，有一部分沿着激光入射方向传播（称为后向瑞利散射），一部分继续沿传播方向散射（称为前向瑞利散射），还有一部分呈现任意方向传播。DAS系统主要利用后向瑞利散射信号进行感知。

二、瑞利散射机制解析

1. 瑞利散射的基本定义

瑞利散射是指当光波遇到尺寸远小于波长的粒子或折射率扰动时，发生的弹性散射现象。在标准单模光纤中，光纤材料（主要是二氧化硅）内部的不均匀性产生散射中心，当激光通过时，产生瑞利散射。这种散射光携带了光纤局部结构的信息，也正是DAS系统感知振动信号的载体。

2. 后向瑞利散射光强度分布

后向瑞利散射光的强度主要受以下因素影响：

✅ 光纤内的微结构分布：每段光纤的微观扰动是唯一的，形成类似“光学指纹”的分布特征。

✅ 入射激光脉冲的强度和频谱宽度：脉冲越窄，空间分辨率越高。

✅ 外界扰动（如振动）引起的应变变化：这种应变会改变光纤局部的折射率和光程长度，从而调制瑞利散射信号的相位和强度。

后向瑞利散射光信号可以表达为：

$I_{\text{back}}(z,t) = I_0 \cdot R(z) \cdot e^{-2\alpha z} \cdot \left|e^{j\phi(z,t)}\right|^2$

相位的微小变化（通常在毫弧度级别）通过干涉原理被检测和放大，进而反映出外部扰动信号。

3. 中向（前向）瑞利散射光

尽管DAS系统主要使用后向散射光，但前向或中向瑞利散射同样存在，其强度分布规律与后向类似，但在传统DAS系统中较难利用。这是因为前向散射光无法回传至光源端接收系统，除非在远端加入反射镜或辅助光源。在特定的分布式光纤传感系统（如光时域反射OTDR系统）中，前向散射光的信息也可能被采集利用。

三、声振信号的提取与识别

当外界振动作用于光纤时，会在光纤轴向产生微小应变，进而调制散射光的相位或干涉图样。通过相干探测或相位解调技术（如相位敏感OTDR、相位跟踪算法等），系统可以提取出与位置相关的振动信号。

常用的解调方式包括：

• 相干探测（Coherent Detection）：将回波与本振光进行干涉，提高信噪比，识别微小相位扰动。
• 互相关解调：比较不同时间回波的相对变化，提取扰动信号。
• 频谱分析：将散射信号做时频分析，识别扰动频率成分，实现事件分类。

四、瑞利散射与分布式感知的空间分辨率

空间分辨率决定了DAS系统的最小可识别振动源间距。其与激光脉冲宽度成正比，脉冲越窄，定位精度越高。若脉冲宽度为 10 ns，则空间分辨率约为 1 m（因为光在光纤中传播速度约为 2×1082×108 m/s）。

DAS系统常见空间分辨率可达 1–5 米，最长感知距离超过几十公里，适用于大范围、连续分布的场景监控。

五、结语

瑞利散射作为DAS系统感知机制的物理基础，承载了光纤中每一点的声振扰动信息。通过对后向瑞利散射光的强度和相位变化进行高精度监测与处理，DAS系统不仅实现了对环境扰动的分布式感知，还具备高灵敏度、强抗干扰性、抗电磁干扰等天然优势。在“万物互联”的新时代，分布式光纤声振技术将持续拓展其在智慧城市、能源安全、国防预警等关键领域的应用边界。