無處不在的光纖感測網

與傳統的感測器相比，光纖感測器本身不帶電，具有抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質安全、多參量測量（溫度、應力、振動、位移、轉動、電磁場、化學量和生物量等）、靈敏度高、質量輕、體積小、可嵌入（物體）等特點。光纖感測網是將各種分立式感測單元、分散式感測單元按照一定拓撲結構組成的感測網路，具有容量大、參量多、拓撲結構複雜、數據處理要求高等特點。光纖感測網是光纖感測技術發展的趨勢和要求，可廣泛應用於航空航天、電力電子、土木工程和安全監測等領域，具有巨大的社會需求和廣闊的應用前景。

光纖感測網

光纖感測器網可以被廣泛地定義為：一組由兩個或兩個以上的光纖感測器復用在一起，部署在被測物內或非常接近被測物，對被測物各個性能參數進行測量的一種感測網路。根據感測單元種類的不同，目前光纖感測網也可大體分為分立式光纖感測網和分散式光纖感測網兩大類。

分立式光纖感測網

在分立式光纖感測網中，把在空間上呈一定規律分布的光纖感測單元串並聯或按其他拓撲結構相連。按照不同的調製信號載體，分立式光纖感測單元可分為光強度調製、光頻率調製、光波長調製、光相位調製和偏振調製五種類型。最常用的光纖感測單元主要有相位調製型感測單元和波長調製型感測單元。

分立式感測單元中常用的相位調製型感測單元利用干涉原理構建，感測單元具體結構形式包括光纖法布里-珀羅(Fabry-Perot,F-P)型、光纖馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder)干涉型、光纖邁克耳孫(Michelson)干涉型和光纖薩奈克(Sagnac)干涉型。感測信息載入於干涉相位中，相位的改變導致輸出光強的改變，從而干涉輸出光強受到調製。光纖F-P型感測單元是利用F-P腔長承載感測信息，達到干涉相位調製的目的。由於其結構簡單，干涉信號穩定，因而光纖F-P型感測單元應用廣泛，已被用於實現應變、溫度、壓力、折射率等參數的感測。

波長調製型分立式感測單元的典型代表是光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,FBG)，它將感測信息調製在中心波長上，通過對FBG反射波長移動的監測即可測量外界參量的變化，探測能力不受光源功率波動、光纖彎曲損耗、探測器老化等因素的影響。

分散式光纖感測網

分散式光纖感測單元主要有三大類：基於光纖背向散射的光時域反射儀(optical time domain reflectometer,OTDR)技術的分散式光纖感測單元、基於光頻域反射儀(optical frequency domain reflectometer,OFDR)技術的分散式光纖感測單元，以及基於長距離干涉技術的分散式光纖感測單元。

光時域反射分散式感測單元利用光脈衝進行光纖感測單元的探測，光脈衝通過光纖時產生的背向散射光包括與激勵光波長相同的瑞利散射，以及與激勵波長不同的非彈性散射——拉曼散射和布里淵散射，這些散射信號攜帶光纖各個位置的感測信息，通過分析信號特性(光強、偏振態、頻率等)的變化來確定待測參量大小，空間位置根據回波時間確定，空間解析度由脈衝寬度決定，由此可獲得待測參量的空間分布。

目前已有多種基於OTDR的分散式光纖感測單元見諸報道，包括基於OTDR的微彎感測單元基於自發拉曼散射的光時域反射儀(Raman optical time domain reflectometer,ROTDR)的感測單元、基於自發布里淵散射的光時域反射儀(Brillouin optical time domain reflectometer,BOTDR)的感測單元、基於瑞利散射的偏振光時域反射儀(polarizationsensitive optical time domain reflectometer,P-OTDR)的感測單元、基於相位敏感的光時域反射儀(phase-sensitive optical time domain reflectometer,phase-OTDR或Ф-OTDR)的感測單元、基於受激拉曼效應的感測單元、基於受激布里淵效應的感測單元等。

OFDR是分散式光纖感測技術的一種新興技術，其採用光外差干涉技術，利用線性調諧光源，參考光與感測光纖中瑞利散射光相干形成拍頻，其中感測光纖中不同測試距離對應不同拍頻。傳統的OFDR技術主要應用在短距離光鏈路和光器件中實現高精度和高空間解析度監測。

基於干涉技術的長距離分散式光纖感測網主要應用於周界安全、石油管道盜挖監測等分散式振動和擾動感測，大多採用馬赫-曾德爾型、薩奈克型、邁克耳孫型干涉結構及在基礎上的光纖光路結構混合或變形，薩奈克/馬赫-曾德爾、薩奈克/邁克耳孫、薩奈克/薩奈克以及差分環/環等雙干涉儀結構，其原理均是通過測量相向傳播的光干涉信號的時延、干涉信號頻率和強度特徵，分析得到待測量的大小和發生位置，實現分散式測量。

新型光纖光柵自愈感測網結構示意圖

六邊形光纖感測網結構示意圖

光纖感測網的主要性能指標

1

解析度

波長位移解析度主要取決於感測系統所採用的波長探測技術或波長解碼系統以及系統的信噪比。

2

復用感測器數量或網路規模

網路規模主要取決於光源的發射功率、網路的拓撲結構和波長解碼系統的接收靈敏度。其中，網路的拓撲結構是感測網的基本骨架，很大程度上決定了感測網的規模、成本及可擴展特性。主要包括匯流排型、環形、星形和混合型，優缺點不同，應用範圍也不同。網路拓撲關係到網路安裝和維護費用，故障檢測和隔離的方便性，因此需要考慮擴展的靈活性、可調整性。

3

感測器的取樣速率

取樣速率主要取決於感測網路的規模、網路所採用的拓撲結構和系統所採用的波長探測技術，目前現有的解碼方案包括F-P腔濾波器探測技術、聲-光濾波器探測技術、單色儀波長探測技術、干涉濾波器探測技術、匹配接收並行探測技術、匹配接收串聯探測技術、CCD並行探測技術等。不同的探測技術具有不同的波長解析度和工作速率，可根據實際情況做出選擇。

4

網路的魯棒性和可靠性

魯棒性是描述系統強壯與否的參量，即表明系統抵抗外部的干擾或破壞的能力。網路結構魯棒性是網路科學中一個十分重要的方面，在控制系統中也是重要的研究分支。在分析網路拓撲結構的魯棒性時，最關注的是當受到來自環境影響而導致的隨機故障，或者當遭到蓄意的攻擊破壞時，網路能否生存下來並且維持網路正常工作的功能。

5

光纖感測網的數據處理

光纖感測網將各種不同的信息轉化為隨時間變化的光信號，經光電轉換、隔直放大、A/D採樣、解調等一系列預處理後，待分析和識別的各通道信號本質上就是一個一維數組，其原始形式中包含著待識別信號的物理特徵。要實現對不同類信號的自動識別，必須通過信號分析，從這種原始形式中提取出可被計算機識別的各類信號相互區別的特徵，即特徵提取。特徵提取是指從模式中提取出一系列能夠反映信號本身特徵的參數向量，並用某一種數學結構來對特徵參數進行表達。

6

光纖感測網的智能化

將感測技術與通信技術、計算機技術融合，實現感測系統的智能化，是現代感測技術的一個重要特徵。智能化的感測系統不僅包括傳統意義上的信號轉換功能，而且集信號獲取、存儲、傳輸、處理等多種功能於一體，可以實現邏輯判斷、數據分類、模式識別、自動報警等智能化功能。在現代智能感測技術及市場需求的推動下，光纖感測系統也在逐步向智能化的方向發展。基於各種開發平台如單片機、DSP晶元、虛擬儀器技術等的智能光纖感測系統都在廣泛的研發之中。多層次的計算功能如現代譜分析、時頻分析、神經網路、遺傳演算法、模糊控制等也都被引入光纖感測系統中。智能光纖感測系統在許多嶄新領域受到廣泛關注，如智能材料、環境感知、聲發射檢測、石油測井等。

光纖感測網的應用領域

光纖感測技術具有極優異的測量精度、可靠性和動態測量特性，而且本質安全，易於工程鋪設，因此分散式光纖感測網在民用工程、航空航天、電力工業、石油化工、醫療等領域中都有著廣泛的應用。

01

民用工程結構中的應用

分散式光纖感測技術廣泛應用於民用工程結構如橋樑等建築的安全檢測、岩石變形測量、道路和場地測量以及周界安防監控中，可為監測交通工具的速度、載重及種類提供很重要的數據。這種感測器的測量精度可以達到幾個微應變，具有很好的可靠性，可實現動態測量，採用分散式埋入還可以實現對整個建築物健康狀況的監測，從而防止工程及交通事故的發生。例如，採用光纖感測網對大型複合材料和混凝土結構進行監測。因為光纖感測器尺寸小，所以埋入複合材料中不影響材料的結構特性，並且耐腐蝕、耐高溫、耐惡劣環境，單根光纖可復用大量的感測器，便於構成光纖感測網。典型應用實例有武漢陽邏大橋、白鶴梁題刻原址水下保護工程、武漢長江二橋、清江水布埡工程、武漢天興洲大橋等項目。

02

軍事領域中的應用

光纖感測器由於具有抗電磁干擾等優點，可以應用於電感測器不易使用的場合，在國防上，光纖感測器可用於水聲探潛(光纖水聽器)、光纖制導、姿態控制、航天航空器的結構損傷探測以及戰場環境(電磁環境、生化環境等)的探測等。

03

航空航天領域中的應用

在航空航天領域，飛行安全是人們十分關注的一個方面。光纖感測器具有體積小、質量輕、靈敏度高等優點。分散式光纖感測技術早在1988年就成功地在航空航天領域中用於無損檢測，將光纖感測器埋入飛行器或者發射塔結構中，構成分散式智能感測網，可以對飛行器及發射塔的內部機械性能及外部環境進行實時監測，其中，波音公司在這方面進行了許多研究。目前可以使用分散式光纖感測技術實現飛機機翼、羽翼、穩定軸、支撐桿等處的應變及位移監測，以及電機、電路等連接部位運行溫度的實時在線測量。

04

船舶工業中的應用

光纖感測技術在船舶工業中也有著廣泛應用，如船體關鍵位置的應變監測、損傷評估和超負荷條件下的早期報警。船舶的結構缺陷常常影響其安全性能，基於分散式光纖感測技術的大型結構健康監測系統可以實時監測船體的健康狀態，從而預防事故的發生。目前已成功將光纖感測技術大規模用於船舶、潛艇損傷的實時檢測。

05

電力工業中的應用

電網規模迅速擴大和電壓等級的不斷提高，對電力設備的可靠性和安全運行提出了更高的要求，而高壓檢測技術卻跟不上形勢的發展，常規檢測設備已不能滿足當前的需要。憑藉光纖感測器的抗電磁干擾能力強且本身電絕緣、長距離遙控方便等特性，在不適宜用電感測網的場合里通常用光纖感測網，目前分散式光纖感測器是一種較理想的檢測技術，在高壓電力系統的安全監控中有著重要應用。例如，利用分散式光纖感測可以實時監測長距離輸電線路表面的溫度，計算導體溫度許用負載和載流量，進而為輸電線路的故障監測和負荷管理提供全面而有效的解決方案，保障輸電線路的安全，提高資產利用率，發現潛在故障，實現預防性維護。

06

石油化工中的應用

泄漏是輸油管道運行的主要故障，往往也會由此造成巨大損失。因而，輸油管道泄漏檢測是石油行業亟待解決的重要問題。利用鋪設在管道附件的感測器，收集管道由於泄漏、附近機械施工和人為破壞等事件產生的壓力和振動信號，進一步可以通過相關感測技術檢測管道泄漏並進行定位。分散式光纖感測技術由於能夠獲得被測物理量沿空間和時間上的連續分布信息，非常適合用於長距離管道泄漏檢測。另外，利用分散式光纖感測技術還可實時監測高壓管道應變和彎曲狀況。

07

醫療領域中的應用

光纖感測器柔軟、小巧、自由度大、絕緣、不受射頻和微波干擾、測量精度高，在醫學中的應用具有明顯優勢，例如，對人體血管等的探測、人體外科校正和超聲波場測量等。光纖內窺鏡使得檢查人體的各個部位幾乎都是可行的，且操作中不會引起患者的痛苦與不適，其中光纖血管鏡已應用於人類的心導管檢查中。光纖內窺鏡不僅用於診斷，目前也正進入治療領域中，如息肉切除手術等。微波加溫治療技術是當前治療的有效途徑，但微波加溫治療技術的溫度難以把握，而光纖溫度感測器可以實現對微波加溫治療技術有效溫度的監測。另外，光纖溫度感測器在癌症治療方面的研究和應用正日益興起。

08

農業領域中的應用

利用光纖感測網監測農作物的生長、收穫、存儲等多個方面可以促進農業生產與管理的高產與低耗，使農業發展取得巨大的進步。光纖溫度感測器、光纖濕度感測器及光纖二氧化碳感測器在農作物的生長過程中可以監測作物生長的溫度、濕度和二氧化碳濃度。光纖感測器的監測信息實時反饋給管理中心，管理中心再去調用控制設備調節這些參數到合適值，從而構成光纖感測網，使農作物始終生長在適宜的環境中。糧食的儲備環境也可通過光纖溫度感測器和光纖濕度感測器進行監測，指導工作人員應何時對糧食進行翻曬。水果、蔬菜的儲藏環境可以通過採用相應的光纖氣體感測器測量乙烯、氧氣、二氧化碳、氨氣、氟利昂等氣體的濃度進行監測，同樣，將監測到的信息實時反饋到管理中心，利用光纖感測網進行實時監控。

光纖感測網用途廣泛，涉及工業測控、政府工作、食品溯源、公共安全、智能家居、智能交通、醫療護理、智能消防、環境保護、水質監測等多個領域。目前城市管理、工業監控、公共安全、遠程醫療、智能交通、智能家居、綠色農業和環境監測等行業均有光纖感測網的初步應用，某些領域已有成功的經驗。

本文摘編自劉鐵根、張紅霞等著《光纖感測網》文前及第一章，內容有刪減，題目為編者所加。

（本期編輯：安 靜）

光纖感測網

劉鐵根 張紅霞 等著

責任編輯 ：裴 育 紀四穩

北京：科學出版社 2018.01

ISBN：978-7-03-054447-6

《光纖感測網》旨在對光纖感測網進行全景式的深入介紹和探索，不僅介紹了光纖感測網的基礎理論知識，而且對光纖感測網的現狀和未來發展趨勢進行了綜述和預測。書中系統介紹了光纖感測網的基本概念、組網方法、拓撲結構、魯棒性評估模型、編碼擴容、數據特徵提取和智能感測網，並著重介紹了光纖感測網的應用。全書內容豐富，深入淺出，循序漸進，體系完整。作者將科研和應用中的實際經驗融入書中，注重理論聯繫實際，力求反映光纖感測網在現階段的應用成果。

清華大學教授、中國科學院院士、國家973計劃專家顧問組成員周炳琨院士為本書做序。

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