據(jù)中國(guó)激光雜志社網(wǎng)，于2025年11月02日?qǐng)?bào)道，今年在我國(guó)西南、西北黃土高原地區(qū)，因持續(xù)強(qiáng)降雨頻發(fā)山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，威脅大眾生命和財(cái)產(chǎn)安全。面對(duì)災(zāi)害，科技手段成為必備利器。近年來(lái)，科研人員將分布式光纖傳感系統(tǒng)鋪設(shè)于山體、河床等地，將光纖視為大地的“神經(jīng)末梢”，實(shí)時(shí)捕捉沿線微小的形變和溫度變化。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)相比，光纖傳感器體積小巧、抗干擾、耐腐蝕，一條數(shù)十甚至數(shù)百公里的光纖可以被劃分為高達(dá)百萬(wàn)數(shù)量級(jí)的傳感通道，形成一張覆蓋廣闊區(qū)域的感知網(wǎng)絡(luò)。
在我國(guó)“十四五”新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃中，這類全天候、全方位感知網(wǎng)絡(luò)，是構(gòu)建智慧城市神經(jīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)基座。那么，這些關(guān)鍵的“神經(jīng)末梢”是如何通過(guò)環(huán)境“脈搏”的變化，覺(jué)察未知危險(xiǎn)的？分布式光纖傳感，還在哪些領(lǐng)域發(fā)揮著神奇作用？
分布式光纖傳感：洞察萬(wàn)物的“千里眼”
光波是一種電磁波，通過(guò)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(wěn)定的長(zhǎng)距離傳輸。當(dāng)光波在光纖中前向傳輸時(shí)，會(huì)在光纖中產(chǎn)生散射光。載波光或散射光在光纖中傳輸時(shí)依據(jù)光纖的參數(shù)具有相應(yīng)的傳輸特性。因此，當(dāng)光纖周圍的環(huán)境擾動(dòng)引起光纖纖芯參數(shù)，例如折射率、直徑、彎曲程度等變化時(shí)，這些參數(shù)會(huì)調(diào)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(jù)光纖中光的這一特點(diǎn)，光纖傳感技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。光纖傳感技術(shù)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(cè)量光纖物理參數(shù)的變化，進(jìn)而對(duì)光纖以及環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
傳統(tǒng)的光纖傳感技術(shù)為點(diǎn)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(shè)置傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立檢測(cè)局部參數(shù)。因此POFS的原理是基于光纖局部結(jié)構(gòu)的調(diào)制，通過(guò)波長(zhǎng)或光強(qiáng)變化檢測(cè)參數(shù)，特點(diǎn)是僅能檢測(cè)傳感器所在位置的參數(shù)，無(wú)法感知節(jié)點(diǎn)之間的區(qū)域。
作為大地的“神經(jīng)末梢”，分布式光纖傳感（DOFS）技術(shù)的發(fā)展有效地解決了POFS離散監(jiān)測(cè)、有限覆蓋的低空間分辨率問(wèn)題。在DOFS中，整條光纖既是傳輸介質(zhì)，也是傳感器，通過(guò)光信號(hào)在光纖中的散射（如瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射）實(shí)現(xiàn)沿光纖全長(zhǎng)的連續(xù)測(cè)量。單根光纖即可覆蓋數(shù)十甚至上百公里，利用散射光信號(hào)的變化反演外界參數(shù)，即使是千里之外的變化也可連續(xù)感知實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效地替代數(shù)以萬(wàn)計(jì)的點(diǎn)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(shù)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(shù)基于背向散射光進(jìn)行傳感測(cè)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(shù)的原理是通過(guò)分析由光纖折射率微觀不均勻性引起的瑞利散射光進(jìn)行傳感。瑞利散射指的是當(dāng)光在光纖中傳輸時(shí)，光纖的微觀不均勻性會(huì)如同路徑上的障礙（這種障礙的大小遠(yuǎn)小于光波長(zhǎng)），造成光發(fā)生散射，散射的光波長(zhǎng)與原波長(zhǎng)一致，強(qiáng)度與入射光線波長(zhǎng)的四次方成反比，其中后向傳輸?shù)娜鹄⑸涔饪苫貍鞯桨l(fā)射端，進(jìn)而可通過(guò)后向散射光的回傳時(shí)間實(shí)現(xiàn)全鏈路的監(jiān)測(cè)。利用瑞利散射進(jìn)行傳感的特點(diǎn)是高靈敏度、高空間分辨率，主要的應(yīng)用是振動(dòng)和聲波監(jiān)測(cè)，如分布式聲波傳感（DAS），常用于油氣管道泄漏監(jiān)測(cè)、地震測(cè)量、基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測(cè)等等。
布里淵散射指的是入射到介質(zhì)的光波與介質(zhì)內(nèi)的彈性聲波發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的光的散射現(xiàn)象。由于光學(xué)介質(zhì)中大量質(zhì)點(diǎn)的熱統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生彈性聲波，它會(huì)引起介質(zhì)密度隨時(shí)間和空間的周期變化，從而使介質(zhì)折射率也隨時(shí)間和空間周期性發(fā)生改變，形成一個(gè)運(yùn)動(dòng)光柵。當(dāng)一束光入射到該介質(zhì)時(shí)，受到光柵“衍射”作用，產(chǎn)生散射。布里淵散射型傳感技術(shù)通過(guò)布里淵散射的頻移量反演溫度和應(yīng)變。其技術(shù)分支有布里淵光時(shí)域分析（BOTDA）和布里淵光時(shí)域反射（BOTDR）。
拉曼散射型傳感技術(shù)的原理是利用拉曼散射時(shí)光與物質(zhì)中分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)模式相互作用發(fā)生的非彈性散射現(xiàn)象，散射光頻率位于入射光中心頻率的兩側(cè)約13 THz 附近（布里淵散射為10-11 GHz），強(qiáng)度變化量與產(chǎn)生散射處光纖的溫度變化量相關(guān)。技術(shù)分支為分布式溫度傳感（DTS）。DTS系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力工業(yè)，實(shí)現(xiàn)電纜溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。
前向干涉型分布式光纖傳感技術(shù)基于干涉結(jié)構(gòu)利用前向傳輸光作為信號(hào)光進(jìn)行傳感測(cè)量，其干涉結(jié)構(gòu)主要分為邁克爾遜（MI）、馬赫曾德?tīng)枺∕ZI）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(guò)擾動(dòng)改變傳輸光的相位，在干涉后光強(qiáng)發(fā)生變化從而進(jìn)行檢測(cè)。
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(cè)振動(dòng)或應(yīng)變。MZI干涉型的原理是將傳感光纖與參考光纖構(gòu)成雙臂干涉儀，傳感光纖的信號(hào)光相位差發(fā)生改變后與參考光干涉會(huì)導(dǎo)致干涉光強(qiáng)發(fā)生變化，從而感知外界擾動(dòng)。SI干涉型的原理是利用環(huán)形光路中順時(shí)針與逆時(shí)針光進(jìn)行干涉，檢測(cè)動(dòng)態(tài)擾動(dòng)如振動(dòng)、壓力等。
從地下到天上：應(yīng)用無(wú)處不在
1、天然地震研究領(lǐng)域的突破性進(jìn)展
分布式光纖傳感系統(tǒng)通過(guò)其獨(dú)特的高密度、高精度監(jiān)測(cè)能力，在地震觀測(cè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破。DOFS可沿?cái)?shù)千米光纖部署超過(guò)萬(wàn)級(jí)等效傳感器節(jié)點(diǎn)，以0.1m級(jí)空間分辨率和kHz級(jí)采樣頻率，精確捕捉P波、S波和表面波的完整傳播過(guò)程。典型應(yīng)用包括陸地地震觀測(cè)：在活動(dòng)斷裂帶布設(shè)DAS陣列，構(gòu)建三維波場(chǎng)成像系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)地震前兆信號(hào)的毫秒級(jí)捕捉；海底地震監(jiān)測(cè)：利用海底通信光纜改造為地震傳感網(wǎng)絡(luò)，在2023年日本海溝實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)里氏1.5級(jí)微震的精準(zhǔn)定位；火山活動(dòng)監(jiān)測(cè)：通過(guò)溫度-應(yīng)變復(fù)合傳感技術(shù)，成功預(yù)警2022年冰島火山噴發(fā)前72小時(shí)的地質(zhì)異常。
2、油氣勘探與開發(fā)的技術(shù)革新
在油氣領(lǐng)域，分布式光纖傳感已形成全產(chǎn)業(yè)鏈解決方案。在勘探階段，采用DTS + DAS聯(lián)合探測(cè)技術(shù)，配合新型全波形反演算法，將儲(chǔ)層識(shí)別準(zhǔn)確率大大提升；在開發(fā)監(jiān)測(cè)方面，在頁(yè)巖氣水平井部署永久式光纖陣列，實(shí)現(xiàn)壓裂過(guò)程實(shí)時(shí)三維監(jiān)測(cè)。DOFS 技術(shù)的發(fā)展助力環(huán)境監(jiān)測(cè)，多參量感知系統(tǒng)同步監(jiān)測(cè)溫度、壓力、聲波等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了油氣勘探開發(fā)的技術(shù)革新。
3、重大基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測(cè)體系
基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康關(guān)系到人民的幸福安康，健康監(jiān)測(cè)極為重要。在橋梁監(jiān)測(cè)創(chuàng)新上采用布里淵光時(shí)域分析（BOTDA）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)形變監(jiān)測(cè)，在臺(tái)風(fēng)預(yù)警上有成功的案例，港珠澳大橋系統(tǒng)在2023年臺(tái)風(fēng)“泰利”期間實(shí)時(shí)捕捉應(yīng)變異常，為橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)以及交通管制提供了技術(shù)保障；在高鐵鐵路場(chǎng)景中，在軌道全線鋪設(shè)分布式光纖應(yīng)變傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軌道的應(yīng)變和振動(dòng)情況，及時(shí)分析和發(fā)現(xiàn)軌道的損傷，為鐵路運(yùn)維提供技術(shù)支持。
4、航空航天裝備的先進(jìn)監(jiān)測(cè)體系
在飛行器中，通常將光纖粘貼在結(jié)構(gòu)表面或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)部,以光纖作為媒介進(jìn)行傳感和傳輸,實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖沿線溫度應(yīng)變、振動(dòng)等物理量的空間和時(shí)間測(cè)量。考慮到飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為多路徑載荷傳遞，為了更準(zhǔn)確地獲取結(jié)構(gòu)響應(yīng),要根據(jù)結(jié)構(gòu)的特征和載荷傳遞的特點(diǎn),采取單根或多根光纖傳感器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化布設(shè)。
技術(shù)展望：構(gòu)建智慧城市
鑒于分布式光纖傳感（DOFS）技術(shù)原理的多元性及使用場(chǎng)景的高度復(fù)雜性，在實(shí)施應(yīng)用時(shí)，必須全面考量多參數(shù)監(jiān)控、傳感光纜的效能表現(xiàn)、系統(tǒng)可靠性、經(jīng)濟(jì)成本以及智能化集成等諸多要素。此外，推動(dòng)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化與高度集成化成為了不可或缺的發(fā)展趨勢(shì)。隨著光電器件技術(shù)、集成芯片技術(shù)乃至人工智能領(lǐng)域的持續(xù)飛躍，上述種種挑戰(zhàn)與難題終將迎刃而解，預(yù)示著DOFS技術(shù)的大規(guī)模普及與應(yīng)用將迅速成為現(xiàn)實(shí)。
由中國(guó)激光雜志社《光學(xué)學(xué)報(bào)》策劃的“分布式光纖傳感”專題產(chǎn)學(xué)研共振持續(xù)升溫，第二屆分布式光纖傳感技術(shù)及應(yīng)用大會(huì)將延續(xù)“學(xué)術(shù)引領(lǐng)、技術(shù)破壁”使命，于2025年11月21-24日在珠海舉辦。深度聚焦“從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)閉環(huán)”的核心命題，匯聚全球頂尖院士團(tuán)隊(duì)、行業(yè)龍頭技術(shù)決策者、一線場(chǎng)景攻堅(jiān)力量，以更高規(guī)格、更實(shí)路徑破解技術(shù)轉(zhuǎn)化瓶頸，共塑分布式光纖傳感技術(shù)的產(chǎn)業(yè)“黃金十年”。會(huì)議征稿通道開啟中，歡迎相關(guān)領(lǐng)域的專家、學(xué)者以及在校研究生踴躍投稿。
會(huì)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(tǒng)
分布式光纖傳感技術(shù)在土木與交通領(lǐng)域的應(yīng)用
分布式光纖傳感技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用
分布式光纖傳感技術(shù)在公共安全和自然災(zāi)害的應(yīng)用
分布式光纖傳感技術(shù)在海洋監(jiān)測(cè)的應(yīng)用
分布式光纖傳感技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用
分布式光纖傳感用特種光纖光纜
