據中國激光雜志社網，于2025年11月02日報道，今年在我國西南、西北黃土高原地區，因持續強降雨頻發山體滑坡、泥石流等地質災害，威脅大眾生命和財產安全。面對災害，科技手段成為必備利器。近年來，科研人員將分布式光纖傳感系統鋪設于山體、河床等地，將光纖視為大地的“神經末梢”，實時捕捉沿線微小的形變和溫度變化。與傳統監測相比，光纖傳感器體積小巧、抗干擾、耐腐蝕，一條數十甚至數百公里的光纖可以被劃分為高達百萬數量級的傳感通道，形成一張覆蓋廣闊區域的感知網絡。
在我國“十四五”新型基礎設施建設規劃中，這類全天候、全方位感知網絡，是構建智慧城市神經系統的關鍵技術基座。那么，這些關鍵的“神經末梢”是如何通過環境“脈搏”的變化，覺察未知危險的？分布式光纖傳感，還在哪些領域發揮著神奇作用？
分布式光纖傳感：洞察萬物的“千里眼”
光波是一種電磁波，通過光纖傳播可以傳遞信息。光纖具有抗電磁干擾抗腐蝕耐高溫的特性，因此光波可以在光纖中高速低損耗穩定的長距離傳輸。當光波在光纖中前向傳輸時，會在光纖中產生散射光。載波光或散射光在光纖中傳輸時依據光纖的參數具有相應的傳輸特性。因此，當光纖周圍的環境擾動引起光纖纖芯參數，例如折射率、直徑、彎曲程度等變化時，這些參數會調制載波光和散射光，改變載波光和散射光振幅、頻率、相位等[1]。
依據光纖中光的這一特點，光纖傳感技術應運而生。光纖傳感技術利用光和光纖之間的相互作用，能夠高靈敏度、高精度且高效的測量光纖物理參數的變化，進而對光纖以及環境進行監測。
傳統的光纖傳感技術為點式光纖傳感（POFS），在光纖的特定位置如光纖光柵、法布里-珀羅腔等處設置傳感器節點，每個節點獨立檢測局部參數。因此POFS的原理是基于光纖局部結構的調制，通過波長或光強變化檢測參數，特點是僅能檢測傳感器所在位置的參數，無法感知節點之間的區域。
作為大地的“神經末梢”，分布式光纖傳感（DOFS）技術的發展有效地解決了POFS離散監測、有限覆蓋的低空間分辨率問題。在DOFS中，整條光纖既是傳輸介質，也是傳感器，通過光信號在光纖中的散射（如瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射）實現沿光纖全長的連續測量。單根光纖即可覆蓋數十甚至上百公里，利用散射光信號的變化反演外界參數，即使是千里之外的變化也可連續感知實時監測，有效地替代數以萬計的點式傳感。
揭秘分布式光纖傳感的原理
主流的分布式光纖傳感技術分為兩類：背向散射型分布式光纖傳感和干涉型分布式光纖傳感。
背向散射型分布式光纖傳感技術基于背向散射光進行傳感測量，主要包括瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。
瑞利散射型傳感技術的原理是通過分析由光纖折射率微觀不均勻性引起的瑞利散射光進行傳感。瑞利散射指的是當光在光纖中傳輸時，光纖的微觀不均勻性會如同路徑上的障礙（這種障礙的大小遠小于光波長），造成光發生散射，散射的光波長與原波長一致，強度與入射光線波長的四次方成反比，其中后向傳輸的瑞利散射光可回傳到發射端，進而可通過后向散射光的回傳時間實現全鏈路的監測。利用瑞利散射進行傳感的特點是高靈敏度、高空間分辨率，主要的應用是振動和聲波監測，如分布式聲波傳感（DAS），常用于油氣管道泄漏監測、地震測量、基礎設施安全監測等等。
布里淵散射指的是入射到介質的光波與介質內的彈性聲波發生相互作用而產生的光的散射現象。由于光學介質中大量質點的熱統計運動會產生彈性聲波，它會引起介質密度隨時間和空間的周期變化，從而使介質折射率也隨時間和空間周期性發生改變，形成一個運動光柵。當一束光入射到該介質時，受到光柵“衍射”作用，產生散射。布里淵散射型傳感技術通過布里淵散射的頻移量反演溫度和應變。其技術分支有布里淵光時域分析（BOTDA）和布里淵光時域反射（BOTDR）。
拉曼散射型傳感技術的原理是利用拉曼散射時光與物質中分子振動或轉動模式相互作用發生的非彈性散射現象，散射光頻率位于入射光中心頻率的兩側約13 THz 附近（布里淵散射為10-11 GHz），強度變化量與產生散射處光纖的溫度變化量相關。技術分支為分布式溫度傳感（DTS）。DTS系統廣泛應用于電力工業，實現電纜溫度的實時監測和預警。
前向干涉型分布式光纖傳感技術基于干涉結構利用前向傳輸光作為信號光進行傳感測量，其干涉結構主要分為邁克爾遜（MI）、馬赫曾德爾（MZI）和薩尼亞克（SI）干涉三種類型。三種干涉類型的核心思路都是通過擾動改變傳輸光的相位，在干涉后光強發生變化從而進行檢測。
MI干涉型的原理是分析單根光纖中反射光與參考光的干涉相位差，檢測振動或應變。MZI干涉型的原理是將傳感光纖與參考光纖構成雙臂干涉儀，傳感光纖的信號光相位差發生改變后與參考光干涉會導致干涉光強發生變化，從而感知外界擾動。SI干涉型的原理是利用環形光路中順時針與逆時針光進行干涉，檢測動態擾動如振動、壓力等。
從地下到天上：應用無處不在
1、天然地震研究領域的突破性進展
分布式光纖傳感系統通過其獨特的高密度、高精度監測能力，在地震觀測領域實現了突破。DOFS可沿數千米光纖部署超過萬級等效傳感器節點，以0.1m級空間分辨率和kHz級采樣頻率，精確捕捉P波、S波和表面波的完整傳播過程。典型應用包括陸地地震觀測：在活動斷裂帶布設DAS陣列，構建三維波場成像系統，成功實現地震前兆信號的毫秒級捕捉；海底地震監測：利用海底通信光纜改造為地震傳感網絡，在2023年日本海溝實驗中實現里氏1.5級微震的精準定位；火山活動監測：通過溫度-應變復合傳感技術，成功預警2022年冰島火山噴發前72小時的地質異常。
2、油氣勘探與開發的技術革新
在油氣領域，分布式光纖傳感已形成全產業鏈解決方案。在勘探階段，采用DTS + DAS聯合探測技術，配合新型全波形反演算法，將儲層識別準確率大大提升；在開發監測方面，在頁巖氣水平井部署永久式光纖陣列，實現壓裂過程實時三維監測。DOFS 技術的發展助力環境監測，多參量感知系統同步監測溫度、壓力、聲波等參數，實現了油氣勘探開發的技術革新。
3、重大基礎設施健康監測體系
基礎設施的結構健康關系到人民的幸福安康，健康監測極為重要。在橋梁監測創新上采用布里淵光時域分析（BOTDA）技術，實現毫米級形變監測，在臺風預警上有成功的案例，港珠澳大橋系統在2023年臺風“泰利”期間實時捕捉應變異常，為橋梁的結構健康監測以及交通管制提供了技術保障；在高鐵鐵路場景中，在軌道全線鋪設分布式光纖應變傳感器，可以實時監測軌道的應變和振動情況，及時分析和發現軌道的損傷，為鐵路運維提供技術支持。
4、航空航天裝備的先進監測體系
在飛行器中，通常將光纖粘貼在結構表面或嵌入結構內部,以光纖作為媒介進行傳感和傳輸,實現對光纖沿線溫度應變、振動等物理量的空間和時間測量。考慮到飛行器結構設計為多路徑載荷傳遞，為了更準確地獲取結構響應,要根據結構的特征和載荷傳遞的特點,采取單根或多根光纖傳感器進行網絡化布設。
技術展望：構建智慧城市
鑒于分布式光纖傳感（DOFS）技術原理的多元性及使用場景的高度復雜性，在實施應用時，必須全面考量多參數監控、傳感光纜的效能表現、系統可靠性、經濟成本以及智能化集成等諸多要素。此外，推動產品的標準化與高度集成化成為了不可或缺的發展趨勢。隨著光電器件技術、集成芯片技術乃至人工智能領域的持續飛躍，上述種種挑戰與難題終將迎刃而解，預示著DOFS技術的大規模普及與應用將迅速成為現實。
由中國激光雜志社《光學學報》策劃的“分布式光纖傳感”專題產學研共振持續升溫，第二屆分布式光纖傳感技術及應用大會將延續“學術引領、技術破壁”使命，于2025年11月21-24日在珠海舉辦。深度聚焦“從實驗室到產業閉環”的核心命題，匯聚全球頂尖院士團隊、行業龍頭技術決策者、一線場景攻堅力量，以更高規格、更實路徑破解技術轉化瓶頸，共塑分布式光纖傳感技術的產業“黃金十年”。會議征稿通道開啟中，歡迎相關領域的專家、學者以及在校研究生踴躍投稿。
會議專題
分布式光纖傳感器件與模塊
分布式光纖傳感原理與系統
分布式光纖傳感技術在土木與交通領域的應用
分布式光纖傳感技術在能源領域的應用
分布式光纖傳感技術在公共安全和自然災害的應用
分布式光纖傳感技術在海洋監測的應用
分布式光纖傳感技術在航空航天領域的應用
分布式光纖傳感用特種光纖光纜
