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2024

封面 | 16家单位共话：分布式光纤传感技术研究和应用的现状及未来

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院士点评

分布式光纤传感技术是21世纪最具潜力的技术之一，在过去的十几年中取得了许多令人兴奋的进展，特别是在国家战略与工程应用需求方面展现了广阔的应用前景，为各行各业智能化发展提供了强有力的支持，是引领未来产业变革的重要力量。

张旭苹教授领衔撰写的这篇长达7万余字的“分布式光纤传感技术研究和应用的现状及未来”文章，对我国分布式光纤传感等领域的研究和战略决策具有重要的指导意义。文章对分布式光纤传感技术的工作原理、发展历史、主流技术、应用及未来的发展方向都进行了详细的梳理，内容极尽丰富。文中对这一领域的发展进行了深入思考、提出了独特的见解，具有很强的前瞻性，可以为科研人员、工程技术人员和广大对分布式光纤传感技术感兴趣的读者提供深入的思考。

尽管分布式光纤传感技术已在诸多领域展现出巨大潜力，但其仍有许多挑战等待我们去研究。希望这篇文章能激发青年群体对这一技术的兴趣和热情，吸引更多青年加入分布式光纤传感技术的研究队伍，为我国分布式光纤传感技术的发展创造更多的创新与突破。

——庄松林院士，上海理工大学

编者按：

“张老师，想向您请教下分布式光纤传感的一些问题……”类似这样的问题，南京大学张旭苹教授在日常工作的来电和邮件中经常碰到。分布式光纤传感技术的研究并非一朝一夕可以完成，但其飞速的发展可以用“日新月异”来形容。为了更全面、更严谨介绍该领域，张旭苹秉持“没有调研就没有发言权”这句箴言，从“零”开始对该领域的发展进行全面的梳理。

张旭苹亲自甄选撰写人，最终从报名的40多位专家中遴选出22位，联合16家单位、22位专业学者之力共述分布式光纤传感技术的发展故事。历时一年多，一次次电话咨询与核实、一场场大大小小的研讨，上千篇参考文献查证，终于这篇呕心沥血、集众人之力的7万余字 “巨作”与大家见面了！文中出现的主要研究单位或生产产商，其公布的专利、论文数量或获得的奖项均在该领域中是名列前茅的。

该文被选为《光学学报》2024年开年专题——“分布式光纤传感”的封面文章，阐述了分布式光纤传感技术的工作原理及应用场景，并列举出了国内外主要的生产企业，为分布式光纤传感技术从学界走向工业界打通了壁垒。希望通过这篇文章，不仅能让科研“萌新”了解该领域的发展情况，也能让希望走“合作之路”的研究单位或生产单位有迹可循。

封面解读

分布式光纤传感器是一种可以发挥传感合一独特优势的连续分布式传感器，适合各种长距离、大范围的传感应用场景，如封面图中展示的交通（铁路、公路、桥梁）、电力通信（传输线缆）、煤矿山体、油气勘探、航空航天装备和城市安防等，其应用涵盖海陆空，受到学术界和工业界的高度重视，发展方兴未艾。

文章链接：张旭苹, 张益昕, 王亮, 余贶琭, 刘波, 尹国路, 刘琨, 李璇, 李世念, 丁传奇, 汤玉泉, 尚盈, 王奕首, 王晨, 王峰, 樊昕昱, 孙琪真, 谢尚然, 吴慧娟, 吴昊, 王花平, 赵志勇. 分布式光纤传感技术研究和应用的现状及未来[J]. 光学学报, 2024, 44(1): 0106001.

广大神通“昨天”背后的原理探究

随着我国经济的迅猛发展，大型基础设施的建设总量已经超过世界其他国家的总和。同时，大型基础设施的健康监测也成为了研究和社会关注的热点。分布式光纤传感（DOFS）技术利用光纤作为信号的传输介质和传感单元，通过检测光纤中所传输光幅度、频率、相位和偏振4个参量在外场作用下的变化，实现对光纤沿线外部参量的连续分布式测量，进而成为了目前能源、电力、航空航天、通信、交通和安防等诸多领域内，一种最为理想的大型设施无损健康监测技术。在我国各单位学者及技术人员的共同努力下，中国DOFS设施建设已于2017年跃居世界之首。

图1 全球各国DOFS部署情况：中、德两国遥遥领先

(图源：https://www.securityinfowatch.com/perimeter-security/press-release/12380489/fiber-optic-sensing-association-fiber-optic-sensing-association-releases-new-data-on-global-installations)

如图2所示，当光在光纤中传播时，会不断产生散射，散射光的传播方向一般可分为前向、背向两种。通过解调散射光的自身参量信息，便可以实现对光纤所处区域具体环境状况的实时监测，进而完成对数以万计点式传感器的功能替代。根据散射光传播的方向，DOFS技术能够被分为背向散射型和干涉型两类，二者分别基于背向散射光和前向传输光进行传感测量。

图2 光纤中传输光散射示意图

光纤中的背向散射光主要包括瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射3种类型。而根据信号测量方式的不同，DOFS技术又可被分为频域和时域两大类：光频域技术一般具有较高的空间分辨率，但测量过程复杂，传感距离有限；光时域技术实现相对简单，且测量距离长。

与背向散射光干涉型的DOFS系统相比，前向光干涉型DOFS系统直接利用前向传输光作为信号光进行传感，故信号在传输过程中损失较小，更容易实现长距离传感。除此之外，前向光干涉型系统还具有结构简单、动态范围宽和频率响应带宽大等优点，可以实现无中继放大的大范围传感。前向光干涉型DOFS中最主要的三种基本结构分别是迈克尔逊型、马赫-曾德尔型和萨尼亚克型。

赋能先进工业“今天”的种种辉煌

由于可以利用已有光纤进行全天候连续分布式监测，DOFS系统具有极高的性价比，在大型基础设施健康监测中有着极其明朗的应用前景。本文详细介绍了DOFS技术在大型基础设施健康监测中应用的经典范例，如通信系统监测、电力系统监测、周界安防、煤炭地质、油气勘探、交通、输运管道监测和航空航天装备监测等，并对上述各领域内目前面临的传感应用需求、应用原理及方法与未来应用展望等进行了系统性论述。

光纤在信息传输中承担了至关重要的信息传递作用，利用DOFS技术能够基于通信光纤在环境应变影响下所产生的局部折射率变化，解调出有关负面影响的具体信息，进而为系统维护提供有效参照。与通信状态监测应用类似：现代电网传输系统中也大量布设了DOFS系统以对输电线路的状态进行监测；基于DOFS的周界安防系统巧妙利用光纤作为传感元件，将“传输”和“感知”融为一体，可有效判断外界入侵扰动事件发生位置，有效保护公民人身及财产安全，重要性不容小觑。

图3 基于DOFS 系统的周界安防测量示意图

在对环境所致应变状态敏感这一技术优势的加持下，DOFS系统在现代煤炭采集行业内也发挥着不可或缺的支持作用。通过特定安装施工工艺，将适合煤矿地质环境的高强度、大变形分布式传感光缆与地层耦合或与围岩紧密贴合，再将引出地表的传感光缆接入数据监测站点，就能够动态监测煤矿地质体的多物理场信息。可以说，DOFS系统的布设，能够为采煤作业加上一道坚实可靠的安全防线。说到煤炭采集，自然而然就会让人联想到油气勘探，如图4所示。的确，DOFS系统也已成为了推动深层油气勘探开发的“利器”，可弥补传统检波器的不足，对油气仓储层内部进行高精度、高分辨率的观测与测量。

图4 OptoSeisTM 海底永久油藏监测系统布设及作业示意图

交通、输运管道监测和航空航天装备监测也是DOFS技术“大展身手”的“广阔天地”。DOFS技术可提升交通领域安全风险评估和防护能力，如图5所示。针对传统监测技术的不足，其可发挥出覆盖范围广、分辨精度高、时效性好和灵敏度高等优点，更好地完成对各类管道泄漏、渗漏入侵破坏及流量等状态的监测任务。同时，作为航空航天器健康安全的核心监测部件，先进DOFS系统能够及时、准确地反馈出结构实际状态，以保证机体稳定运行。

图5 DOFS技术在交通领域的应用示意图

更精确、更可靠、更综合“明天”的大步迈进

在诸多应用实例的支撑下，对DOFS系统性能提升的研究一直是各国科研工作者努力的重点，在数代学者及工程师的共同探索下，DOFS未来最有可能出现的发展态势逐渐明朗：多机理融合、特种传感线缆、传感信号处理及智能化感知、通信-传感融合、分布式形状传感和基于既有海底光缆的海洋状态监测等等，都是可能在未来大放光彩的技术高地。本文对各发展方向的基础概念、实现方法和发展趋势进行了总结，给“DOFS系统明天将迎来什么样发展”的技术问题给出了很好的回复。

未来，光纤传感技术将不局限于单个信号、单一测量方式和单一传输波导，将能够实现多参量的融合测量。同时，对于智能化信号处理方式的引入（如图6所示），也将助力传感系统空间分辨率、传感距离与信噪比等参数的优化，实现对实际测试中多元复杂事件的精准判别，进而产生传统DOFS技术无法比拟的技术优势，并开辟出更加广阔的应用前景。

图6 机器学习在分布式光纤传感领域的典型技术与应用

此外，基于分布式光纤传感原理的形状传感技术，也是近年来崛起的一匹“黑马”，基于该技术的实际产品，凭借着灵敏度高、易集成与抗电磁干扰性强等具体的技术优势，在精准介入医疗、智能机器人及航天航空等领域引起了各国学者的共同关注，如图7所示。从中也能够看出，“产、学、研”相结合、从书架向货架的发展思路，是DOFS技术赢得未来、布局传感行业的关键一步。

图7 基于光纤形状传感器的柔性可穿戴器械

总结与展望

20世纪80年代，我国光电领域科技工作者就敏锐察觉到了DOFS技术的独特性及重要性，并开始跟跑该领域国际先进技术。到目前为止，在系统设计与制造以及应用方面，我国的DOFS技术已经达到甚至处于国际领先水平。

由于DOFS工作原理的多样性和应用环境的复杂性，在未来具体的应用过程中，多参量监测、传感光缆性能、可靠性、成本和智能化等众多因素仍需考虑。产品的标准化、集成化也是非常重要的研究方向。随着光电器件技术、集成芯片技术和人工智能的不断发展，相信上述问题将会得到妥善解决，DOFS的大面积推广应用将指日可待。

文章框架图：