什么是光纤传感？

光纤传感利用光在经过光纤时的物理性质来检测温度、应变、振动（声学）和其他参数的变化。光纤传感利用光纤作为传感器，在光纤沿线创建数千个连续的传感点。这被称为分布式光纤传感，其中光纤本身作为分布式光纤传感器。

对光纤本身进行测量的设备通常称为询问器。其用途是使用标准或特定光纤，通过拉曼、布里渊或相干瑞利反向散射分布式光纤传感技术来测量光纤沿线的温度、应变或振动。

图像

例如，通过使用光纤传感询问器，用户能够：

• 检测和定位电源线沿线的任何过热点。
• 检测和定位电信光缆上的任何过度应变，并在断裂之前作出反应。
• 检测管道或数据中心互联 (DCI) 上的第三方干扰

下面是光纤传感应用的示例：

• 疲劳监测
• 泄漏点和流动线堵塞
• 储液器监测
• 热油恢复

• 泄漏检测
• 地层移动监测

• 热点检测和定位
• 安培容量（实时热额定值……）
• 智能电网

• 裂纹检测
• 基础设施管理和设计
• 水坝、堤坝
• 地震区

• 直埋光缆监测
• 架空光缆监测
• 超负荷光纤识别
• 光纤老化

光缆可充当测试工作站与外部传感器之间的通信途径，这称为外部传感。但是，当光纤本身充当光纤传感系统时，这称为内部光纤传感。

这种光纤传感技术的好处在于，光纤和外部传感器之间不需要分立接口，从而降低了复杂性和成本。为了实现这一点，诸如温度、应变或振动（声波）等外部刺激需要以可测量的方式影响光缆内的引导的光，以便提供有用的数据。

可见光子被光纤材料随机散射时，我们称之为瑞利散射。这一原理已证明可用于各种类型的光纤测试技术（例如 OTDR 光纤测试），因为利用反向散射到检测器的光的强度、波长和位置可以确定光纤内衰减和反射事件的大小和位置。

同样，瑞利散射可在反向散射到斯托克斯带中的光源的光子内产生温度诱致的变化。通过测量斯托克斯带和反斯托克斯带中反向散射光的强度差异，就可以准确地确定光纤沿线任何给定位置的温度。

布里渊散射是一种类似的现象，在这种现象中，反向散射光的波长会以可预测的方式受到外部温度和声频刺激的影响。在同时与温度背景知识结合使用时，这一数据可用于准确地确定光纤所受到的应变，并可加以分析来确定光纤的哪些区域受到了影响。

瑞利相关散射能用于检测振动和声波。光的相移对光缆所经历的振动和声波很敏感。通过分析这些相移，可以精确定位整个光纤范围内的振动位置和强度。

分布式光纤传感

拉曼、布里渊和瑞利散射在分布式光纤传感 (DFS) 中得到了有效运用。拉曼散射用于分布式温度传感 (DTS)、布里渊散射用于分布式温度和应变传感 (DTSS)，而瑞利散射用于分布式声学传感 (DAS)。这些测量能用于在数十千米的范围内准确地检测温度、应变和振动。

在此上下文中，“分布式”仅仅是指可在光纤的整个长度内进行连续测量的光纤传感技术，或分布式光纤传感器。本质上，光纤本身就是传感器。由于光纤传感方法完全是本身所固有的，因此可以使用标准电信光纤作为媒介，前提是温度应不超过 100℃ (212℉)，并且光纤没有遭受过度的化学或机械损坏。

光纤传感的演变历程

在 20 世纪 70 年代光纤作为一种电信方法出现之前，人们已经意识到了用于传感应用的光纤的明显潜力。光激性传感器（一种用于非接触式振动测量的外部光纤传感器）在 1967 年获得了专利。到 20 世纪 80 年代中期，已经确立了光纤陀螺仪原理。通过跟踪光纤内含的激光光源的相位偏移，可以获得精确的旋转数据。

以下是可以使用光纤传感询问器实现的一些应用。

• 光网络传感：保护、检测或监控光纤网络
• 基础设施监控传感：通过将光纤用作探测设备，可以使用光纤来执行基础设施监控。在此用例中，用户可以沿关键基础设施（例如桥梁、管道、安全接入点/开口或堤壁）部署光纤，在光纤的突发应变、运动或温度导致基础设施出现损坏或故障风险时引发警报。可以使用这种技术来保护开口（例如通道和井盖）的安全，在开口出现破裂时生成警报。 
• 基础设施保护：声学传感能用于识别和定位诸如边界、铁路、电缆和管道等关键资产周围的威胁（有意和无意），以保护基础设施。

使用 VIAVI 光纤传感询问器可以实现若干基础设施监控应用。

• 检测管道沿线的地层位移和第三方干扰
• 检测管道的机械变形
• 检测和定位管道、壕沟、堤坝等沿线的任何泄漏
• 检测和定位电信光网络中的任何威胁或应力点
• 检测和定位电源线沿线的任何热点或防撞警报

使用包含 DTS 或 DTSS 功能的便携式仪器（例如 OneAdvisor 平台），检测人员可以前往现场并对光纤进行现场测量。或者，使用 ONMSi 和机架安装式光纤测试头（具备 DTS、DTSS 或 DAS 功能），可以长时间监测光纤，并在检测到变化或事件时发出警报。 

下面是 VIAVI DTSS 的示例：

• VIAVI DTSS 询问器为布里渊 OTDR (BOTDR)。用作光纤传感器的光纤中引入了光的短脉冲。向前传播的光会以两种不同的波长从光纤沿线的所有节点中生成布里渊反向散射光。

• 布里渊反向散射光的波长与正向入射光的波长不同，名为“斯托克斯”和“反斯托克斯”。“斯托克斯”和“反斯托克斯”布里渊电平和频率的差异是光纤沿线温度和应变的图像。

光纤测试如何缩短关键基础设施或光纤网络的维修 (MTTR)？

光纤监控可在检测到变化时立即发出警报。它还可为光纤上检测到的事件位置提供地理定位的地图精确位置。这样，组织每次都可将技术人员派遣到正确的位置对光纤进行检测或维修，不再需要花费很长时间来查找光纤沿线的问题。详细了解光纤测试。

租用暗纤的电信服务提供商和数据中心的客户会报告光纤断裂导致的服务中断，但通常在出现断裂时，线缆已经遭受了断裂或损坏事件方面的永久性应变影响。以挖掘机挖到线缆为例。线缆被拉扯拖曳并遭受到应变影响。应变检测使技术人员能够准确确定线缆的哪个部分需要更换，并使线缆业主能够利用 DTSS 光纤传感证据来追究当事人的损坏责任。对于恶劣天气和碎片（例如倒在架空电缆上的树枝）导致的损坏，情况也是如此。

当光纤上被施加了过度的应变时，网络的光纤中应会出现最常见但难于诊断的问题。这会使光纤永久性伸长、造成其衰减，并可能会改变其光传输特性。下图展示了使用 DTSS 显示三个应变峰值的应变测试。此光纤的全部三个区域均已受损，但传统的瑞利 OTDR 无法揭示此问题。这些峰值指明此光纤需要更换。

光纤传感技术为电力公用事业提供强大的解决方案，增强其基础设施的监控和维护。通过利用集成在电力电缆中的光纤，公用事业单位能实现关键参数的实时、持续监测，从而采取积极措施防止损坏并避免代价高昂的维修。

电源线会暴露在各种环境和运营压力下，这些压力会导致过热、机械应变和潜在的故障。沿着电源线安装的光纤可以用于实时监测温度、应变和振动。例如，检测热点可以指明可能存在绝缘退化或过载情况的区域。通过及早识别这些问题，公用事业单位可以在小问题升级成重大故障之前安排有针对性的维护，从而防止停电并减少维修成本。

光纤传感的另一个显著优势是它能够精准定位电源线沿线的故障。传统的故障检测方法可能既慢又耗费较高成本，通常需要使用卡车、直升机或无人机进行大量的人工检查。光纤传感可以快速识别和定位由物理损坏、环境因素或操作异常引起的故障。这种快速故障定位功能让公用事业单位能迅速做出回应，最大限度地减少停机时间，并确保更加稳定的电源

在多个行业中已经通过光纤传感实现的好处的基础上，可以安全地假设现有产品的的效能和成本效益将继续改进，就像开发应用新应用程序一样。FOSA 已经深入探索了许多这些可能性，包括在“智能城市”、物联网 (IoT) 集成以及专为更具挑战性的环境设计的创新光纤变体中使用光纤传感。

光纤形状传感是一种新的过程，它能够实时准确地在大跨度的复杂几何形状上放置数据。利用嵌入在感兴趣物体内部或连接到该物体的光纤，可以通过温度、压力和其他参数对像风力涡轮机、隧道和高层建筑这样的结构的形状因数同时进行持续监控和跟踪。

在新医疗设备创新中，这种形状传感功能甚至还可用于对人体进行探测和诊断。光纤传感可用于跟踪手术器械、为影像诊断提供支持，甚至能诊断心血管状况。随着边界安全变得越来越重要，进一步运用光纤传感技术还会导致光纤“围栏”的深入部署，通过这些围栏，不必使用笨重的物理屏障便可确定入侵。

尽管通过光纤实现大量数据传输和通信突破已得到广泛认可，但同样通过这些基本组件实现的大量分布式光纤传感功能可能还鲜为人知。随着社会的联系越来越紧密，对监控、安全性和最大程度缩短反应时间的需求也将不断增长。创造性地运用光纤传感将可帮助实现这一需求。

VIAVI 提供什么类型的光纤传感询问器？

VIAVI 光纤传感产品组合包括：

• 基于瑞利 OTDR 技术的 DTS（分布式温度传感）
• 基于布里渊 OTDR 技术的 DTSS（分布式温度和应变传感）
• 基于相干瑞利反向散射技术的 DAS（分布式声学传感）