分布式光纤传感技术的分类
我国光纤传感技术发展路线图
3、传输距离远：光纤传感器能够实现远距离传输，适用于大型设备的远程 监控。
4、多参数测量：光纤传感器能够同时测量多种物理量，如温度、压力、位 移等。
5、体积小、重量轻：光纤传感器结构简单，体积小，重量轻，便于携带和 安装。
四、光纤传感技术的应用
1、工业生产：在石油化工、钢铁冶炼等工业生产领域，光纤传感器被广泛 应用于生产过程的监控和产品质量控制。例如，在石油化工行业中，光纤传感器 可以用于对高温、高压、腐蚀等恶劣环境的测量和监控。
技术路线分析
1、核心技术
光纤传感技术的核心技术包括光纤制造技术、光纤传感器件设计技术、信号 处理技术等。其中，光纤制造技术是光纤传感技术的基石，包括预制棒制备、拉 丝、筛选等工艺环节，需要不断提高工艺水平和产品质量。光纤传感器件设计技 术是实现高精度、高灵敏度传感的关键，需要加强基础研究和技术创新。信号处 理技术则是提高光纤传感系统性能的重要手段，需要加强算法研究和硬件开发。
三、分布式光纤传感技术的应用
ห้องสมุดไป่ตู้
分布式光纤传感技术在测量领域具有广泛的应用前景。例如，在石油和天然 气行业中，可以利用分布式光纤传感技术对油井和气井的温度和压力进行实时监 测；在电力行业中，可以利用分布式光纤传感技术对电力传输线路的温度和振动 进行实时监测；在建筑行业中，可以利用分布式光纤传感技术对建筑物的结构和 环境进行实时监测。此外，在军事、航空航天、环保等领域也有广泛的应用前景。
重点问题研究
在我国光纤传感技术的发展过程中，存在一些重点问题需要解决。例如，核 心器件依赖进口的问题，需要加强自主研发和技术创新，提高国内光纤传感器的 制造能力和水平。此外，在市场推广方面，需要加强与各领域的合作，深入挖掘 光纤传感技术的应用潜力，促进技术与产业的融合发展。
分布式光纤传感技术
光纤光栅传感器是一种常用的光学传感器件，分布式光纤光栅就属于准分布式光纤传感器件中的一种。
选题方向合理。
请尽快确定课题完成方式，明确研究内容，尽快开展课题调研论证工作。
75分布式光纤光栅传感技术光纤传感技术是一种以光纤为媒介，光为载体，感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术，是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而逐步形成的。
在光通信系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界因素的影响越小越好，但是，在实际的光传输过程中，光纤容易受到外界环境因素的影响，如温度、压力、应变等外界条件的变化将引起光纤中传输光波的特征参数如频率、相位、光强、偏振态等的变化，通过测量这些参数的变化，就可以得到外界作用于光纤的物理量，这就是光纤传感技术。
光纤传感技术的基本原理是：将光源的光入射进光纤，当光在光纤中传输的过程中受到外界物理量影响，使得被测参数与光纤内传输的光相互作用，进行调制，从而使其光学性质如光的频率、波长(颜色)、强度、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光，然后将这一调制的信号光送入光探测器中进行解调，经信号处理后就可获得被测参数。
光纤传感器与传统传感器相比具有许多明显优势：1）体积小、重量轻，几何形状具有多方面的适应性，可以做成任意形状的传感器和传感器阵列。
2）抗电磁干扰能力强、耐高温、耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠。
3）光纤传感器件多是无源器件，对被测对象影响较小。
4）便于复用，便于成网。
它既可以作为信息的传递媒介，又可以作为信号测量的传感装置。
5）光纤传感器传输频带宽，动态范围大，测量距离长。
光纤传感器的种类很多，按照其工作方式可分为：点式、准分布式和分布式三类。
其中，准分布式光纤传感器是使用传感网络系统进行测量的，其光纤不作为传感元件，只作为传输元件，其敏感元件为多个点式的传感器，它们采用串联或各种网络结构形式连接起来，利用波分复用、时分复用或频分复用等技术形成分布式网络系统，进而可以较精确地分时或同时得到被测量信息的空间分布，也可同时得到某一点或某些空间点上不同被测量的分布信息。
基于分布式光纤传感技术的智能结构健康监测
基于分布式光纤传感技术的智能结构健康监测一、引言智能结构健康监测技术随着机械设备、航空航天、交通运输、建筑等领域需求的增长，逐渐受到广泛关注。
目前结构健康监测的主要手段包括传统监测方法和传感器监测方法。
传统监测方法存在着监测难度大、监测范围小、监测成本高等问题。
而传感器监测方法则面临着传统传感器在工作环境下易发生损坏和干扰等问题。
分布式光纤传感技术作为一种新型的结构健康监测技术，可以在结构体内安装光纤传感器，实现对结构体内的温度、应力、形变等信息进行高精度实时监测，具有监测范围大、数据获取频率高、抗干扰能力强等优点。
本文将就基于分布式光纤传感技术的智能结构健康监测问题进行分析和讨论。
二、分布式光纤传感技术的基本概念1.分布式光纤传感技术的原理光纤传感技术利用光纤本身的光学特性进行数据传输和信息监测。
光纤传感技术的核心是使用光纤作为传感器，利用光纤对外界物理量的响应进行检测。
在光纤传感器中，一般通过调制光纤中的光学特性（如光耦合、吸收、散射等），使其对外界参数（如温度、形变、压力等）发生变化时产生相应的光学信号。
接着，通过对光学信号进行分析处理，即可实现对物理参数的检测和监测。
2.分布式光纤传感技术的分类分布式光纤传感技术主要包括两种类型，即时间域反射技术（OTDR）和布里渊散射技术（BOTDR）。
其中时间域反射技术（OTDR）以激光信号发送至光纤中的传感点，利用光在纤芯和光纤外皮之间的反射波采集传感信息，通过对波形的时间、强度等参数的分析处理，实现对传感点位置、状态等参数的检测和监测。
布里渊散射技术（BOTDR）则是利用光波在光纤中的布里渊散射发生机制，实现对光纤中音频波的传输和检测。
BOTDR主要是利用细长的光纤作为传感元件，将来自激光的光和和来自布里渊散射的光进行合成，并输出到接收端。
由该方法采集到的光是与之相关的物理量的函数值，经过处理之后，可以得到被监测物的运动状态。
3.分布式光纤传感技术的特点与传统传感器相比，分布式光纤传感技术具有以下优点：①监测范围大。
布里渊分布式光纤传感技术的分类及发展
光纤传 感有 很 大 的发展 ， 在 ３个 方 面取 得 突破 ： 并
基 于瑞 利散 射 的分 布式 传感 技 术 ：基 于拉 曼 散射 的分 布式传 感技 术 ；基 于 布里 渊 散射 的分 布式 传 感 技术 。其 中基 于瑞 利 散射 和拉 曼 散射 的研究 已
第 ３ ２卷 第 ２ ０期 ２
２ １年 ２ 月 １ 日 ０１ ０
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散射原 理 的分 布式 光纤 传感 技 术 的研究 上 ．并且
取 得 了 一 定 的成 果 。
目前 ，基 于 布 里 渊 散 射 的 温 度 和 应 变 传 感 技
术 的研 究集 中在 ５个 方 面Ｉ 基 于布 里渊 光 时域反 ３ ｌ ： 射 （ Ｏ Ｄ Ｂ ｉｏ ｉ ｐｉａ Ｔｍ — ｏ ｉ ｅ ｅ— Ｂ Ｔ Ｒ． ｒｌｕｎ Ｏ ｔ ｌ ｉ ｅＤ ｍａ Ｒ ｆ ｃ ｌ ｃ ｎ ｌ ｔ ｔ ） ｏ ｒ 的分 布式 光纤 传感 技 术 ： 于 布里 渊 光时 ｍｅ ｙ 基 域 分 析 （ Ｏ Ｄ Ｂ ｉｏ ｉ ｐｉａ Ｔｍ Ｄ ｍ ｉ Ｂ Ｔ Ａ， ｒ ｌ ｎ ｌ ｕ Ｏ ｔ ｌ ｉ ｅ ｏ ａｎ ｃ Ａａｓ） ｎ ｌ ｉ 的分 布 式 光 纤 传 感 技 术 ： 于 布里 渊 光 ｙｓ 基
光纤传感技术在结构健康监测中的应用
光纤传感技术在结构健康监测中的应用一、引言随着科技的发展，光纤传感技术已经在许多领域得到广泛应用。
其中，结构健康监测是光纤传感技术的一个重要领域。
本文将从光纤传感技术的基础知识入手，介绍光纤传感技术在结构健康监测中的应用。
二、光纤传感技术基础知识光纤传感技术是将光纤作为传感器来进行物理量的测量和控制的一种新的技术。
其主要的工作原理是利用光纤传输过程中的光学原理，对光信号进行分析，从而实现对物理量的测量和控制。
光纤传感技术主要有两种类型：分布式光纤传感和点式光纤传感。
分布式光纤传感是指将光纤进行分段，每一段都可以进行测量，从而对整个光纤进行精细监测。
而点式光纤传感是在光纤上设定若干个特定测量点，对这些测量点进行监测。
三、光纤传感技术在结构健康监测中的应用1. 光纤传感技术在桥梁监测中的应用随着城市化的进程，城市道路和桥梁的建设也在不断增加。
这些桥梁受到车辆和行人的频繁经过，长期使用容易出现疲劳、裂纹、变形等问题。
如果这些问题得不到及时修复和处理，就会产生巨大的安全隐患。
利用光纤传感技术可以对桥梁进行精密监测。
分布式光纤传感技术可以对整座桥梁进行监测，精度达到毫米级别，实现对桥梁在使用中可能出现的形变、应力变化、温度变化等问题的监测。
这样，就可以预测桥梁可能出现的问题，并及时处理，使得桥梁在长期使用中更加安全可靠。
2. 光纤传感技术在建筑物监测中的应用建筑物是人类居住和工作的重要场所。
长期使用的建筑物，容易受到自然因素的影响而出现倾斜、裂缝等问题。
如何及时发现和处理这些问题，对于建筑物的安全和使用具有重要意义。
利用光纤传感技术可以对建筑物进行精密监测。
点式光纤传感技术可以在建筑物中选取一些测量点进行监测。
可以监测建筑物内部温度、湿度、压力等因素，同时还可以监测建筑物的倾斜、裂缝等问题，实现对建筑物安全问题的精细监测和预警。
3. 光纤传感技术在地质灾害监测中的应用地质灾害是一种常见的自然灾害，如山体滑坡、泥石流等。
分布式光纤传感技术1
用。
智能背心
11
光纤传感技术的发展
3 原理性研究仍处于重要位置
由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已被广泛采用 的传统机电传感系统为目的，所以尽管光纤传感器具有 诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑战仍很巨大。 而那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中 占有明显优势。
4 相关的应用开发也还任重道远
23
（上）有干扰时光强信号的理论计算值（下）实验值
4-2 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、 B-OTDA 利用拉曼散射——R-OTDR
24
(1)光纤中的背向散射光分析
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
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非弹性散射
（2）光时域反射 (OTDR)技术
利用3*3耦合器解调原理图
19
M-Z干涉型光纤传感器的信号处理
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 20
非功能型（或称传光型）光纤传感器
光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“ 感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。
拾光型光纤传感器
用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、
散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式
光纤温度传感器等。
耦合器
光发送器
光纤
信号 光受
分布式光纤传感的基本原理
分布式光纤传感的基本原理一、引言分布式光纤传感技术是利用光纤作为传感器，通过对光纤中的光信号进行分析和处理，实现对物理量的测量和监测。
该技术具有高精度、高灵敏度、可靠性高等优点，在工业、交通、环保等领域得到了广泛应用。
二、基本原理1. 光纤传感器的工作原理光纤传感器是基于光学原理设计制造的一种传感器。
其主要组成部分是光源、光纤和检测系统。
在测量过程中，光源会向光纤中发射一束激光或LED等光线，经过反射或散射后再返回检测系统进行信号处理。
2. 光纤传感器的分类根据不同的测量原理和应用场景，可以将光纤传感器分为多种类型。
常见的有：（1）布拉格反射式（FBG）传感器：利用布拉格反射原理实现对温度、压力等物理量的测量。
（2）拉曼散射式（Raman）传感器：利用拉曼效应实现对温度、压力等物理量的测量。
（3）雷达式（OTDR）传感器：利用光时域反射原理实现对光纤长度、损耗等物理量的测量。
（4）弯曲式传感器：利用光纤弯曲时产生的信号变化实现对温度、应力等物理量的测量。
3. 分布式光纤传感技术的原理分布式光纤传感技术是一种基于拉曼效应原理的传感技术。
在这种技术中，通过向光纤中注入一束高功率激光，使其产生拉曼散射效应。
当激光与介质相互作用时，会产生散射光信号，并且随着介质内部物理参数的变化而发生频移。
通过对散射光信号进行分析和处理，可以得到介质内部物理参数分布情况。
4. 分布式温度传感原理在分布式温度传感中，通过向被测物体表面附近埋设一根特殊的分布式光纤，在激光作用下，可以得到介质内部温度变化情况。
具体原理如下：（1）激光器向被测物体表面附近注入高功率激光。
（2）激光与介质相互作用，产生拉曼散射光信号。
（3）散射光信号经过分析和处理，得到介质内部温度分布情况。
三、应用领域分布式光纤传感技术具有广泛的应用领域，在以下几个方面得到了广泛的应用：1. 石油化工行业在石油化工行业中，分布式光纤传感技术可以实现对管道温度、压力等物理量的实时监测。
分布式光纤传感技器
（1）衰减死区 从反射点开始到接收机恢复到后向散射电平约0.5dB的范围内的这段距离。 也就是OTDR能再次测试损耗和衰减的点。 （2）事件死区 从OTDR接收到的反射点开始，到OTDR恢复到最高反射点1.5dB以下这段 距离。在这以后才能发现是否还有地二个反射点，但还不能测试损耗和衰 减。
由光源、传感、信号处理和显示三部分组成。
光源
光纤耦合器
光探测器
光放大器
被测光纤 示波器 信号处理
关键技术：① 大功率、窄脉冲输出，② 低噪声、高灵敏度光探测，
5
③ 高速率信号处理
6 分布式光纤传感器的特征参量
① 空间分辨率 对沿传感光纤的长度分布的被测量进行测量时所能分辨的最小空间距离
。影响因素： 脉冲的持续时间，探测器的响应时间。
▪ 30 km的FGC-30拉曼测温系统，其空间分辨率为3m、
温度分辨率为0.1℃、测温范围为0～+100℃
测温原理
斯托克斯光：波长大于入射光 反斯托克斯光：波长小于入射光
Is 斯托克斯光光强 Ias 反斯托克斯光光强
温度变化
测温原理：Ias/Is＝ae-kcv/kT
Is不变 Ias变化
光源
耦合器
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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。
② 时间分辨率 传感器对被测量进行测量时，达到被测量的分辨率所需的时间。表征传
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分布式光纤传感技术的分类
一分布式光纤传感监测系统原理
光的传播有一种叫做闪射现象。
闪射：当光束通过不均匀媒质时，部分光束将偏离原来方向而分散传播，从侧向也可以看到光的现象，叫做光的散射。
然后光的散射可以分成弹性散射跟非弹性散射。
弹性闪射主要有瑞利散射和米氏散射；非弹性散射包括布里渊散射，拉曼散射，康普顿散射等。
而分布式光纤传感监测系统，是采用不同的散射实现的，有基于拉曼光谱（Raman spectra），布里渊散射，瑞利散射等。
二分布式光纤传感监测系统分类
分布式光纤有几种类型，经常看到的有DTS分布式光纤测温、DVS分布式光纤、DAS分布式光纤声波监测系统。
1. DVS防区型
是通过划分防区进行监测的，而且当某个位置入侵后不能准确定位到具体位置，只能知道在某个防区，所以划分防区就很重要。
我们一般建议是50m-200m 一个防区，总防区一般为16个以内。
这样就能快速的定位到入侵位置（因为距离比较短）。
主要用在一些建筑的周届安防上，而且安装比较复杂，不能应用于长距离传输，价格不贵，当长距离定位型的DVS 价格降下来后，防区型的DVS慢慢没有优势了。
2. 分布式光纤振动传感系统（DVS）
根据振动进行测量的，基于瑞利后向干涉；定位精度，跟监测距离长度是2个比较重要的指标；目前国内领先水平是40km左右,定位精度在5米这样，再高的距离到50KM,60KM，相比于防区型，DVS能够准确的定位出入侵位置，所以定位精度很重要。
目前该系统功能完善，可提供用户需要的功能。
可视化报警显示：提供形象的可视化显示界面，通过图形组态模块将光纤位置映射到图像上，一旦某点发生入侵事故，报警信息直接显示在图像上，形象直观。
振动曲线显示：系统可以实时显示整个光缆的振动信号分布曲线，当某处振动信号应变异常时，通过曲线可以显示该处实时信息
分区/ 分级事件报警：提供多种灵活的报警方式，报警参数可以分级、分区域设置。
历史统计分析：提供历史振动数据统计分析功能，包括：
a. 某时刻光缆不同位置的振动分布曲线
b. 某时段光缆某点的振动变化曲线
3. 分布式光纤声波监测系统（DAS）
该系统检测声音，原理是基于振动测量；跟DVS的区别是DAS相位解调，能线性还原声音，DVS没有相位调解，无法还原声音；在能源，石油，燃气管道等等场景中开始使用。
DAS系统需要相干探测，所以探测部分需要使用到平衡光电探测器。
想快速搭建分布式光纤声波监测系统，可以采用DAS的一体化模块，配上一张高速的采集卡即可。
DAS一体化模块从软件开发角度看，DAS相比DVS 要复杂，因为数据量大，解调复杂。
现场声音监听与还原：系统能够精准地还原光缆周围事件声音信息。
振波分析能力高。
分析精度高。
人工智能分析：系统具有人工智能分析功能，在音频分析部分，可以自动过滤事前规定的白名单事件，例如刮风、下雨、火车经过、汽车经过、打雷等等干扰信号。
出现异常事件，立即告警，并明确标示出具体位置。
目前已建立绝大多数预警事件模型，事件识别的准确率可达到99%。
多声道侦听，互不干扰：还原该段光缆所处环境的音频，且各个声音信道互不干扰。
卫星地图预警管理系统：结合地理信息系统GIS，采用二维的卫星图作为用户的展示页面。
一张图清晰明了，地理位置便于记忆与口述。
精确位置报警：根据客户需求可精确定位
断纤定位系统：通过对光纤内反射光的实时监测，可以精确定位断纤的具体位置，有助于在光缆被人工破坏、意外施工破坏后，迅速确定断纤的位置，减少事故带来的损失。
4. 分布式光纤测温系统（DTS）
该系统主要用于监测温度，单独DTS一般是基于拉曼的；也有基于布里渊
的BOTDR，可以同时测温和应力，现场需要2根光纤，一根测温，一根测应力，但是造价非常高，贵的价格能到百万级别。
BOTDR系统需要用到高速的光电探
测器。
分布式光纤测温系统可以直接应用在电缆隧道、石油管道等长距离的温度监测。
完全分布式：DTS分布式光纤测温能在几秒内检测整条光纤沿线完整的分布温度，无遗漏。
长距离监测：分布式光纤测温系统可以监测的距离长达30KM，可定制更长距离的测温。
抗干扰强：测温光纤由石英构成，电气绝缘，不受任何电磁干扰，也不发射电磁波，特别适合各种复杂环境、强电环境。
本征安全：感温元件为测温光纤，内部传输的光信号的平均功率为微瓦级；本质安全。
精确定位：定位精度达到±1M。
快速响应：高灵敏度，反应迅速，单通道扫描时间短。
安装方便：分析仪安装简单，布置灵活。
5. 光纤光栅（FBG）
光纤光栅，在光纤里面刻蚀的光滤波器，可以滤出特定频率的光。
一般工程应用是，一个多通道FBG解调模块，后面接FBG光纤传感器，测温度，测应力等等；比较成熟，缺点就是成本有点高，如果能把成本降下来FBG的应用市场还是挺多的。