可在很大的空间范围内连续的进行传感，是其突出 优点。 传感和传光为同一根光纤，传感部分结构简单，使 用方便。 与点式传感器相比，单位长度内信息获取成本大大 降低，性价比高。
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分布式光纤传感器的特征参量
空间分辨率

指分布式光纤传感器对沿光纤长度分布的被测量进 行测量时所能分辨的最小空间距离。 指分布式光纤传感器对被测量监测时，达到被测量 的分辨率所需的时间。 指分布式光纤传感器对被测量能正确测量的程度。
需要激光器的输出稳定、线宽窄，对光源和控制系统 的要求很高； 由于自发布里渊散射相当微弱（比瑞利散射约小两个 数量级），检测比较困难，要求信号处理系统具有较 高的信噪比; 由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率 25 的扫描等处理,因而实现一次完整的测量需较长的时间, 实时性不够好。
缺点：



检测30km

光纤沿线的应变，
空间分辨力可达1m。 应变精度: 20 μe (0.002%) 温度精度 : 1° C

取样时间 : 20 s 至 5 min (典型值：2 min)
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（3）ROTDR——光时域拉曼散射光纤传感器 拉曼散射产生机理：


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的频率发生变化的散射，此过程 为拉曼散射 量子力学描述：分子吸收频率为 V0的光子，发射V0-Vi 的光子，同时分子从低能态跃迁到高能态（对应斯托 克斯光）；分子吸收频率为V0的光子，发射V0+Vi的光 子，同时分子从高能态跃迁到低能态（反斯托克斯光 ）。
2 neff /

是光在光纤中的传播常数
由于相位变化很难直接检测，所以实 际中通常使光发生干涉，将相位的变 化转变为光强的变化进行检测，之后 再解调获得相位变化
光的干涉
光的干涉条件：
相干光源S1、S2发出的光 波在空间P点相遇，两列波 在P点的干涉本质上是两个 同方向、同频率的电磁简 谐振动的叠加。
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(5)分布式光纤传感技术的应用
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分布式光纤传感技术的应用——周界防护
根据防范的不同场合和要求，光 纤可以构成各种形状，环置于需 要防范的周界处的适当位置，当 入侵者侵入时，系统都会发出告 警信号
光缆传感监控系统工程施工实例
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光波所为国庆 60 周年通州阅兵村提供的光 缆预警系统采用的就是分布式光纤传感技术
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ROTDR——传感原理
光纤中自发拉曼散射的反斯托克斯光与温度紧密 相关。常温下 (T=300K) 其温敏系数为 8‰/ ℃。 采用反斯 托克斯与斯托克斯比值的分布式光纤温度测量，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。
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基于自发拉曼散射的分布式光纤温度传感器原理
信号处理的目标——2).对干扰事件进行定位 （适用于周界监控及管道监控等应用）
A点和B点分别对应M-Z干 涉仪两个耦合器的位置。 P点是干扰发生的位置
使用时使干涉仪 两臂中同时存在 顺时针和逆时针 传输的光 通过顺时针和逆时针传输的相位受干扰光 信号到达 A 点和 B 点的时延差可计算出产 生干扰的位置。 T ( L 2Z ) / V
斯托克斯光
反斯托克斯光
布里渊散射和拉曼散射 在散射前后有频移，是 非弹性散射
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（2）光时域反射 (OTDR)技术
光时域反射
(OTDR：Opitcal Time-Domain Reflectometry)技术最初被用于检验光纤线路的 损耗特性以及故障分析。 当光脉冲在光纤中传输的时候，由于光纤本身的 性质、连接器、接头、弯曲或其他类似事件而产 生散射、反射，其中背向瑞利散射光和菲涅尔反 射光将返回输入端（主要是瑞利散射光，瑞利散 射是光波在光纤中传输时由于光纤纤芯折射率在 微观上的起伏而引起的线性散射，是光纤的固有 特性）。 光时域反射计将通过对返回光功率与返回时间的 关系获得光纤线路沿线的损耗情况。
分布式光纤传感技术用于航空领域的多参量监测
光纤蒙皮
传感器布测区域
太空飞船X-38的再入式实验飞行器 （NASA图片） a.分布式温 度传感方案 沿光纤传输光的 背向散射分量 光纤温度传 感元平面 输出信号
损伤探测
b.分布式应 力传感方案 埋入光纤 应力传感 元
输入信号
光纤监测网
输出信号
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输入信号
分布式光纤传感技术与应用
内容概要
光纤传感技术简介
光纤传感器的分类 光纤传感技术的发展 分布式光纤传感技术
相位调制型分布式传感器 散射型分布式传感器
分布式光纤传感技术的应用
分布式光纤传感技术
利用光波在光纤中传输的特性，可沿光纤长度
方向连续的传感被测量（如温度、压力、应力 和应变等） 光纤既是传感介质，又是被测量的传输介质。 优点：
BOTDR——传感原理
布里渊散射光频移会随着温度和光纤应变的上升
而线性增加： fB=fB0+ f TT(℃)+ f εε(με)
通过测量布里渊 散射光 频移 和光功率，就可以求得被测 量点的温度和应力的大小。
布里渊散射光功率会随温度的上升而线性增加,随
应变增加而线性下降：
PB=PB0+ P TT(℃)+ P εε(με)
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光时域反射 (OTDR)技术

散射型分布式传感技术对被测量的空间定位多基于光时域 反射 技术，即向光纤中注入一个脉冲，通过反射信号和入 射脉冲之间的时间差来确定空间位置。
d为事件点距离系统终端的距离，c为真空光速，n为光纤有效折射率

c d 2n 脉冲的重复频率决定了可监测的光纤长度，而脉冲的宽度 决定了空间定位精度（10ns宽度对应空间分辨率1m）。
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干涉仪输出功率的随机变化
以M-Z干涉仪作为周界监 控系统时 ，入侵事件出 现将导致接收信号功率8 的变化
M-Z干涉型光纤传感器的信号处理
信号处理的目标——1).对干扰事件进行定性

通过解调获得干扰臂的相位变化，进而根据相 位变化情况分析干扰产生原因。
利用3*3耦合器解调原理图
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M-Z干涉型光纤传感器的信号处理
输入脉冲
参考信号
计 算 机
后向喇曼 散射信号
光纤 2km (GI62.5/125)
信号 处理 电路
信号 放大 电路
光电探测器 光电探测器
各种分布式光纤传感技术的应用
传感原理 传感监测量 B-OTDR 应力，温度 R-OTDR
M-Z Sagnac
温度
微振动 较有规律 的微振动
应用领域 管道泄露监测，结构健 康监测等 油气油井里温度分布监 测、管道泄露监测等 周界防护等 气体管道泄露监测、周 界防护等
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ROTDR——传感原理
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。 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。则通过测量斯托克斯光与反斯 托克斯光的功率比，可以探测到温度的变化。 由于自发拉曼散射光一般很弱，比自发布里渊 散射光还弱10dB，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。 此方法上世纪80年代就已被提出，并商用化。
BOTDR 系 统 从 一 端 输 入 泵 浦 脉冲，在同一端检测返回信号 的中心波长和功率。使用方便， 但自发布里渊散射信号很微弱， 检测困难。
在 BOTDA 中，处于光纤两端的可调 谐激光器分别将一脉冲光（泵浦光） 与一连续光（探测光）注入传感光 纤。利用受激布里渊散射效应，散 射光强度更强
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耦合器C2和C3构成M-Z干涉仪
在计算机中对PD1和PD2接收 到的光信号进行互相关计算， 就可以获得干扰出现的时延 差，继而实现干扰定位
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利用M-Z干涉仪进行分布式传感的系统结构图
(2) 光纤SAGNAC干涉型分布式传感器
激光器发出的光经耦合器分为两束分别耦合进由同一 光纤构成的光纤环中，沿相反方向传输，并于耦合器 处再次发生干涉。 当传感光纤没有受到干扰时，干涉现象趋于稳定；受 到外界干扰时，正反向两光束会产生不同的相移，并 于耦合器处发生干涉，干涉信号的光强与干扰发生位 置具有一定关系。

R1
R2
Sagnac 干涉仪的另一个典型应用 是光纤陀螺，即当环形光路有转动 12 时，顺逆时针的光会有非互易性的 光程差，可用于转动传感
散射型光纤传感器
利用背向瑞利散射——OTDR 利用布里渊散射——B-OTDR、 利用拉曼散射——R-OTDR
B-OTDA
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(1)光纤中的背向散射光分析
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BOTDR——布里渊频移系数
对于温度的布里渊频移系数是1.22M/度（@1310nm）， 1M/度（@1550nm） 对于应力的布里渊频移系数是 581M/% （ @1310nm ）， 493M/%（@1550nm） 温度的影响较小

。
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BOTDR与BOTDA( BRILLOUIN OPTICAL TIME DOMAIN ANALYSIS)
温度场分布
分布式光纤传感技术的应用——管道泄露监测
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如果需要测量几千米的范围内、
多达几千个点的温度，只需要
一条普通的光纤和一台小型仪
器，就可以解决问题！
分布式光纤温度检测监控系统
温度测量原理
利用背向喇曼散射测量温度的原理示意图
分布式光纤温度传感的原理
原理框图：
耦合器 光纤滤波器
激光 二极管
P
S1
r1 r2
S2
E1 a1 cos(kr1 t )