文 / 靳寶全 太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室
在工程上應用的分布式光纖傳感技術根據傳感光類型不同可分為散射光傳感和前向光傳感兩類。其中，散射光又分為瑞利散射、拉曼散射和布裡淵散射三類。
基於不同光學效應的傳感技術可以檢測不同的物理參量。基於瑞利散射的光纖傳感技術工程上主要用於檢測振動與聲音信號，基於拉曼散射的光纖傳感技術工程上主要用於溫度的測量，而基於布裡淵散射的光纖傳感技術工程上主要用於應變與溫度的雙參數測量，基於前向光幹涉的光纖傳感技術工程上主要用于振動與聲音的檢測。
基本幹涉型結構的分布式光纖傳感在工程上主要使用主馬赫-澤德爾、麥可遜、薩格奈克幹涉三種類型，其光路結構如圖1所示，均是擾動改變了相位，進而通過幹涉光強變化來檢測振動。馬赫-澤德爾使用兩個耦合器，麥可遜、薩格奈克幹涉使用一個耦合器，不同的是麥可遜幹涉需要兩個旋轉鏡。上述結構的光纖傳感在工程上應用需鋪設兩根光纖。
圖1 基本幹涉法的光路結構
如圖2是一種直線型薩格奈克方案。其特點在於僅需一根傳感光纖即可實現對信號的拾取，實用性強。兩束幹涉光光程差相同，對光源線寬要求低，成本低，檢測靈敏度高，信號還原性能好。然而其依然存在振動定位難、無法多點定位等問題，導致在需要精確定位及多點振動監測領域應用受限。
1.R-OTDR（Raman Optical Time-Domain Reflectometry ）拉曼光時域反射分布式光纖傳感技術
分布式拉曼溫度傳感系統的結構如圖3所示。入射脈衝光產生後向拉曼散射光，其光強隨光纖溫度的變化而變化，對探測到的後向拉曼散射光進行解調，光電探測器完成光電轉化，轉化後的微弱電信號經信號放大電路放大，由數據採集卡採集並傳輸給計算機，通過數據處理便可獲得光纖沿線的溫度。工程上應用於矸石山火險預警、電纜溫度檢測、帶式輸送機火險預警以及隧道火險預警等場景。
圖3 分布式拉曼溫度傳感系統結構
R-OTDR的進一步發展仍面臨很多挑戰，如在單模光纖的應用中信噪比不高導致的測量精度低的問題，進一步提升傳感距離、空間解析度、測溫精度及響應速度等問題。
2.φ-OTDR（Phase Sensitive Optical Time-Domain Reflectometry）相位敏感光時域反射分布式光纖傳感技術
φ-OTDR在工程上主要有直接探測與相干探測兩種方案。其中，直接探測結構更為簡單，信號處理簡單，但準確還原波形較為困難。相干探測的信號靈敏度更高，擁有更高的空間解析度和信噪比，頻帶響應範圍更寬，能準確還原信號。工程上主要應用在燃氣管線、周界安防、軌道交通、電纜舞動、地震波探測、局部放電等檢測場合。
直接探測型通過差分擾動前後的散射曲線來進行振動定位，其效果受振動頻率、差分點數和脈衝重複頻率的影響。直接探測型φ-OTDR的系統結構如圖4所示，其原理為通過對後向散射曲線採集與處理，檢測振動信號對光相位和強度的影響，實現對振動信號的定位、還原。
圖4 直接探測型φ-OTDR系統結構
相干探測型φ-OTDR系統結構如圖5所示，與直接探測型的區別在於，引入本徵光提升散射光信號功率，增強系統信噪比。光電探測器輸出的信號經IQ解調可獲得正交信號，經過進一步的處理便可解調出振動信號的幅值與相位。
圖5 相干探測型φ-OTDR系統結構
當前φ-OTDR分布式光纖振動傳感技術發展面臨的挑戰主要有：信號衰落的抑制與實時振動波形還原、傳感距離與空間解析度提升、振動方向識別與振動類型智能模式識別。
3.B-OTDR（Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry）布裡淵光時域反射分布式光纖傳感技術
BOTDR是在OTDR基礎上結合光纖中的自發布裡淵散射效應完成溫度/應變測量的分布式光纖傳感技術。當光纖受到拉伸或壓縮時，應力變化會導致後向布裡淵散射光產生頻率漂移，通過解調漂移量可實現應變測量；光纖的溫度變化同樣會導致布裡淵散射光發生頻率漂移，根據頻移量可解調出溫度信息。
BOTDR是基於布裡淵效應的單端抽運光時域反射技術，具有很大的優勢，結構簡單，只需在一端輸入雷射，在工程中應用前景廣泛。基於BOTDR的分布式光纖傳感系統結構如圖6所示。在光路進行相干探測，在電路進行頻率掃描，最後進行數據處理後可得到光纖沿程的布裡淵頻移量，即可解調出應變與溫度信息。這種方法可用於建築變形監測、地質沉降監測、橋梁變形監測、隧道變形監測等。
圖6 BOTDR系統結構
在工程上如何實現實時布裡淵頻移解調、長距離高空間解析度高精度檢測、解決溫度與應變交叉敏感等問題是BOTDR進一步應用所面臨的一系列挑戰。
綜述所述，基於前向光幹涉與散射光原理的分布式光纖傳感技術在工程上均獲得了應用，隨著成本的進一步降低、指標參數的進一步提升、可靠性的進一步提高，同時具有長距離、抗電磁幹擾、多參數測量等優勢，分布式光纖傳感技術在工程上的應用必將越來越廣泛。
靳寶全，太原理工大學教授，博士生導師。任新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室副主任，山西省傳感器產業技術創新戰略聯盟負責人，山西省光電傳感與檢測科技重點領域創新團隊負責人。主要從事光纖傳感、光電智能儀器等方面的研究，開發了布裡淵光時域反射儀、相位敏感光時域反射儀等儀器。主持國家自然科學基金、企業技術開發等各類項目30餘項，先後獲省部級科學技術獎5項。
靳寶全教授同期也在「光言萬物」直播間作了相關分享，如果想了解更多詳細內容，可在本公眾號菜單欄「系列直播」中查看視頻回放。