几种常见光纤传感技术 OFDR与其他光纤传感技术差异

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概述

光纤本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好，可以在传统传感器不支持的（如易腐蚀、高温高湿等）恶劣环境中工作。因此，光纤传感技术一经问世就受到了极大重视，在各个领域得到了研究与应用。光纤传感有多种解调技术，容易混淆，本文对几种常见光纤传感技术进行简单梳理，并将OFDR技术与其他技术作对比，希望对大家有帮助。

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几种常见光纤传感技术

不同于传统传感器是独立个体，光纤传感器可以在一根光纤上串联多个传感单元，组成监测网络。根据传感单元布局设计的差异，光纤传感技术可分为多点式、准分布式和分布式三大类。

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点式光纤传感技术

光纤光栅（FBG）是常见的一种点式传感器。FBG是通过一定方法（如紫外刻写）使光纤纤芯的折射率产生周期性分布，它对波长具有选择性，能够使特定波长的光反射，而使其他光透过。

图1  FBG结构及波长选择性

FBG波长的表达式为：

式中为FBG中心波长，为纤芯有效折射率，为光栅周期。当FBG所处环境温度或应力变化，外力作用下会导致或改变，从而引起FBG中心波长的移动。   将待测FBG连接至光纤光栅解调仪上，通过光谱分析测量加载前后的FBG中心波长的平移，平移量可以通过传递系数转换为被测物理量，进而实现对FBG位置处的应变、温度或压力的测量。

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准分布式光纤传感技术

在一根光纤上串联或制作多个FBG比较容易，因此光纤光栅解调仪可采用复用技术实现准分布式测量。如波分复用技术，在一根光纤上串联多只FBG，每只FBG波长不同，系统采用宽带光源和波长检测仪，可得到每只FBG的中心波长，实现单通道多点测量。同时还可以结合光开关，将光信号分给不同通道，进而实现多通道解调，即空分复用技术。除此之外，还有波分和时分复用结合的技术，相同波长的FBG在光纤中的位置不同，其反射光到达探测器时间不同，可以等时间间隔采样进行区分，结合波分复用，可实现对大规模的光纤光栅阵列的解调。

图2 准分布式光纤传感技术

受限于光源带宽、单个FBG传感波长移动范围和相邻FBG反射光谱之间的相互影响，目前光纤传感中FBG传感点数量有限，空间分辨率受限，传感点之间存在监测盲区。

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分布式光纤传感技术

分布式光纤传感技术（DOFS）采用光纤做传感介质和传输信号介质，通过测量光纤中特定散射光的信号来反映光纤自身或所处环境的应变或温度的变化，一根光纤可实现成百上千传感点的同时测量。分布式光纤传感技术无盲区，突破了FBG解调复用传感单元数量限制和空间分辨率限制，因而称为分布式测量。

图3 光纤中的后向散射

当一束光波射入光纤后，光纤中会产生后向散射光（见图3），常见有瑞利散射光、拉曼散射光和布里渊散射光，三种散射效应如图4所示。 

图4 光纤中三种散射

瑞利散射光为弹性散射，光频率在散射过程中不会发生漂移。但当被测光纤置于温度场或应变场中时，受外力作用下光纤内部的折射率分布发生变化，导致光纤的瑞利散射信号光谱分布在距离域上发生平移。

布里渊散射过程是入射光、斯托克斯光和声波场的三波耦合过程。由于声波场的衍射作用，入射光的能量会向斯托克斯光转移。入射光和斯托克斯光之间存在一定频差，称为布里渊频移。因为频移是温度和应变的函数，所以可以通过测量布里渊频移实现对温度和应变的测量。

拉曼散射过程是由于光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生的。如果一部分光能转换成热振动，将发出一个比光源波长长的光，为斯托克斯光；如果一部分热振动转换为光能，将发出一个比光源波长短的光，为反斯托克斯光。根据拉曼散射理论，两束反射光的光强与温度有关，可以借助反斯托克斯与斯托克斯光强之比来实现对温度的测量。

分布式光纤传感技术是利用光纤中的散射机制，通过测量光纤中的散射信号的变化，实现对外界物理量的测量。常见分布式光纤传感技术有基于瑞利散射的OFDR技术、DAS技术，基于拉曼散射的ROTDR技术，基于布里渊散射的BOTDR、BOTDA和BOFDA技术。

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OFDR与其他光纤传感技术差异

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OFDR技术与FBG解调技术的差异

1）传感器调解原理类似。光纤光栅解调仪是解调FBG中心波长的平移，OFDR技术是解调光纤中各位置瑞利散射信号的频移，两者温度/应变变化与波长或频移的函数关系相同。

2）分布式与准分布式的差异。光纤光栅解调仪是准分布式测量，传感点数有限，相临的传感单元之间存在监测盲区；OFDR解调是高分辨率分布式测量，无监测盲区，具有海量的传感密度。

3）使用成本。解调仪方面，相对于OFDR解调仪，光纤光栅解调仪的成本低很多；传感器方面，OFDR技术使用普通单模光纤作传感器，价格便宜，FBG传感器因不同波长及封装方式，价格差异较大，特殊FBG价格高昂。

4）测量范围。通常FBG传感器应变测量范围为几千微应变，OFDR解调技术具有更大应变测量范围，可达10000微应变以上。

5）传感器布设。FBG解调技术用户要提前预判，将FBG传感器布设在目标位置，FBG若不在目标位置，可能测不到有效结果；OFDR是分布式测量，可以布设并测量整根光纤的分布结果。相对来说，OFDR单次测量成功率高，而且可获得目标区域应变或温度的局部差异。

6）OFDR技术还可解调弱反射光纤光栅阵列。OFDR技术通常是使用普通单模光纤作传感器，但OFDR也能解调全同弱反射光纤光栅阵列，通过获得更高的信噪比、进一步提升测量稳定性和抗干扰能力。

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OFDR技术与其他分布式技术的差异

分布式光纤传感技术根据光纤散射原理可分为三类：基于瑞利散射的分布式光纤传感技术，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术和基于拉曼散射的分布式光纤传感技术；从光学信号测试方法的不同还可细分为：光时域反射技术（OTDR）和光频域反射技术（OFDR）。几种常见分布式光纤传感技术的对比见下表所示。

表1 分布式光纤传感技术分类与对比

OFDR技术传感长度约100米，空间分辨率mm/cm量级（以1mm为例，相当于1m光纤同时测量1000个传感点），测量精度可达±0.1℃±1με，适合于短距离、高分辨、高精度的应变温度测量领域，如土木结构健康监测，复合材料疲劳检测，新能源汽车电池组温度监测等。

OTDR/DAS技术传感距离几十公里，甚至一百公里，但受限于探测光脉冲宽度，空间分辨率与动态范围有限，难以满足较大动态范围和高空间分辨率的应用领域。

ROTDR技术一般测量长度约10公里，分辨率约1m左右，主要用于分布式光纤测温，如电力电缆的表面温度监测、事故点定位及火情消防预警等。

BOTDR、BOTDA及BOFDA技术测量范围可达几十公里，空间分辨率约1m左右，可用于长距离的分布式应变温度测量，如岩土工程、石油管线健康监测，地质灾害监测等。

目前，以上几种常见分布式光纤传感技术，在国内市场上都有商用产品在售。

编辑：黄飞