王 雪，张 宇，张芷源

（沈阳城市学院，辽宁 沈阳 110112）

分布式无线光纤传感技术是目前正在发展的一项新型检测技术，它的工作原理主要是利用光纤感知接收到一个信号并将这个信号实时传出并返回，相较于传统的节点式无线光纤传感器主要工作原理而言，分布式无线光纤传感技术可以实时测量前向光纤上成千上万个散射点的空间温度和其对应变量等信息，达到分布式温度测量。通过连续函数的具体计算形式，针对整个光纤基层表面各个节点位置的实时监测温度，进行相对精准的温度测量。

1 分布式光纤传感技术简介

1.1 光纤的损耗特性

当光源从光纤的一端射入，另一端射出时，会使光的强度大大减弱。这也显示出当光信号通过光纤传播时，光的能量在一定程度上衰减了。这表明光纤中有些因素阻挡了光信号的传输，这种现象就是光纤的传输损耗。如果想要光信号顺利通过，需要通过一些方法降低光纤损耗。除此之外，光纤损耗的分类主要分为固有损耗和附加损耗。固有损耗包括散射损耗、吸收损耗和因光纤结构不完善引起的损耗。附加损耗则包括微弯损耗、弯曲损耗和接续损耗。

1.2 分布式光纤传感技术

分布式光纤传感技术根据传感光类型不同可分为散射光传感和前向光传感2 类。其中，散射光又分为瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射3 类。基于不同光学效应的传感技术可以检测不同的物理参量。基于瑞利散射的光纤传感技术工程上主要用于检测振动与声音信号，基于拉曼散射的光纤传感技术工程上主要用于温度的测量，而基于布里渊散射的光纤传感技术工程上主要用于应变与温度的双参数测量，而前向光干涉的光纤传感技术工程上主要用于振动与声音的检测。

光纤总线调制调控总线起到一个传光器的调制作用。各种新型分布式光纤调制总线调控传感器的调制系统实质上是一个联合调制复用工作调制调控系统。根据调制光波所测的各种外界强度调制调控信号类型进行联合调制以及光波的各种外界物理强度波动变化特征情况和光波所参与测量的外界强度波动变化及其响应特征情况,可将用于调制时间光波的各种外界强度调制调控信号类型分为光化学光波被测强度调制信号联合调制、光化学微波被测频率调制信号联合调制、光波长强度信号联合调制、光化学微波偏振相位调制信号联合调制和偏振相位信号联合调制这几种主要工作调制类型。

全新的分布式无线光纤测量传感器是利用一根无线光纤电缆作为横向延伸的一种传感器子元件，光纤上的任意一段光纤既是一个传感元件单元，又是其他各个传感元件单元的测量信息数据传输的同一通道，因而用户可直接获得被用于测量沿此一段光纤在运行空间和运动时间上不断变化的准确分布测量消息。它完全消除了在传统光纤传感器经常存在的时间传感“盲区”，从根本上完全突破了传统的无线单点光纤测量时间限制，是真正实际意义上的完全分布式无线光纤测量传感器。

2 光纤传感器的发展现状

从2001 年到2017 年，全球大型光纤无线传感器（主要包括点阵差分式和无线分布式）产品消费增加值的平均年同比增幅高达20.3%。美国已经占据目前全球大型光纤无线传感器的绝大部分区域市场份额。同时，2015-2020年，亚太地区以21.7%的年均全球复合经济增长率，迅速成为全球增速最快的区域市场。近年来，中国已经成为亚太地区最主要的大型光纤无线传感技术产品研发应用区域市场。2011 年全球交通及石化设备行业的大型光纤无线火灾监测报警系统产品应用市场规模在千万亿元以上水平，电力设备行业光纤无线传感器的温度变化检测及控制应用市场规模达到2 亿元以上水平，光纤无线传感气体环境监测、光纤传感陀螺检测产品应用市场规模达到2 亿元以上水平，光纤传感器市场在0.5 亿元以上水平。

由于现在光纤电缆测量传感器的信号进入口和输出以及测量器在信号发生变化时也会直接受到目前电纤电缆光源端的温度巨大波动、光纤光源数据信号传输的各通道负载损耗和功率的巨大变化、探测器相关部件结构老化等各种因素的直接影响，这些因素受到影响之后会直接降低目前光纤电缆传感器测量相关技术的准确性。目前，光纤电缆传感检测技术的实用性还有待深入研究，同时其产品设计以及制作使用过程中的成本相当昂贵。目前，由于现在光纤电缆测量传感器很大一部分相关技术的实验产品还处在尚未投入到实验室研究开发阶段，因此有必要将这些技术的实验结果尽快进行修正后再及时进行研究开发。

3 我国光纤传感器现状

国内光纤传感器生产及服务企业按照业务可分为以下几类：

（1）公司专注于某一种或几种新型光纤测量传感器的研发和生产型技术企业。

（2）国外国内光纤无线传感器的出口代理商及国内外的市场技术支持。

（3）成为具有鲜明软件行业综合应用研究背景的行业系统软件集成提供商和行业综合应用解决模式方案产品供应商。

（4）推动通信产业及其他服务公司的新产品业务持续拓展或者推动业务结构转型。

目前，我国光纤检测传感器生产企业的经营管理模式主要分为2 种：一种是国外合作厂商在中国主要专门从事光纤仪器的研发生产和销售推广，系统中的集成配套工作由国内厂商与国外厂商合作完成。这种企业经营管理模式虽然其资源综合利用率高，但是产品质量能否真正满足国内客户实际需求，一定程度上还取决于国内合作厂商的专业技术水平和产品质量风险控制管理水平。另一种是国内的合作厂商直接采用进口的国外仪器，集成配套检测设备和应用软件，进而直接形成整个质量监测管理系统。这种技术集成一体化的企业经营管理模式需要国外厂商本身具备很强的研发和生产能力。国内生产企业由于受国外技术创新研发能力水平及国内市场主体业务创新发展能力的限制，只能直接掌握一种或几种相关技术，尚根本无法直接参与这种国际化的市场竞争。国内企业总体规模小，大多数都属于大型高新技术研发企业，行业内尚无任何协会组织。

4 光纤传感器的主要应用

光纤微波电缆本身具有很多优异的机械化学性能，例如：我国光纤电缆具有较强的抵抗电磁和其他光纤原子管等化学物质辐射相互作用干扰的机械化学性能；径细、质软、重量轻的光纤原子管和机械化学性能;绝缘、无线电子和感应的光纤原子管和电气机械化学分子性能;耐水、耐硝酸盐和其他高温、耐酸碱和抗腐蚀的物理化学分子性能等。目前，我国光纤无线微波传感器已被广泛应用于我国的国防、电力、石油、建筑、医学等各个领域，伴随着我国现代工业物联网以及信息处理技术的不断进步发展，光纤无线微波传感器将与无线微波传感器等相关技术一起在我国现代工业物联网快速发展中起到更为重要的技术主导作用。

4.1 油气应用

光纤电子传感器技术可以有效克服恶劣的井下环境并取代目前传统的井腔电子空气传感器，实现了对油井的井下持续空气气流率、含水率、压力、温度、多通道相流和不同声波的精确测量。目前，在我国石油测井监控系统中主要广泛应用的设备是一种非本体特征式和光纤式的f-p 型井腔电子传感器。国内陆上大型油田以新疆克拉玛依和辽河油田为主要代表，已经在此成功进行了大量实验。当下很多科研机构都在和中国石油化工公司共同开展关于光纤电子传感器等方面的技术合作项目。

4.2 煤矿应用

我国天然气和煤矿在新一代能源发电产业发展格局中已经完全占据了绝对的主导地位，我国每年天然煤矿安全生产事故发生率是目前世界上主要天然煤矿采煤和新能源发达国家每年发生煤矿安全事故死亡总数和事故发生率的4 倍以上。基于中国智能煤气光纤结合地震灾害传感器和监测技术的中国智能煤气瓦斯安全网是煤气行业综合地震灾害预测监控地震监测管理系统，该平台可以在10 km 内对瓦斯、矿压、水压、温度、声音波及光发射、地震波等重大灾害信息进行实时地震监测。

4.3 电力系统

在一些大型电力系统中，需要直接测定光缆移动线路的温度、电流等重要技术参数，由于这种交流和输电类型的移动温度传感器比较易于直接承受室外强光和微弱电磁场的直接辐射干扰，无法在这些技术应用多的地方广泛投入使用，只能用多种电力专业光纤电缆作为移动传感器。另外，还有一个重要的相关技术应用领域，那就是用户可以直接利用OPGW、OPPS 等多种类型的电力专业光纤专用复合电缆线的分布式监测技术用来监测电力光纤复合电缆线的横向移动量和温度以及墙体发生倒塌等各类安全事故。

4.4 军用领域

光纤海防传感在军用防卫领域同样存在庞大的应用市场需求。用于军事防卫应用的射频光纤遥控传感器主要可以应用于射频水声探潜（射频光纤波与水听器）、光纤遥控制导、姿态运动控制（射频光纤陀螺）、航天器和航空器的三维结构学和损伤控制探测（光纤智能蒙皮）以及航空战场周围环境的损伤探测等多个方面。在我国航天航空应用领域中，战术导弹用一种光纤遥控陀螺精确进行制导。此外光纤遥控陀螺还包括可以广泛应用于高空雷达上的无线载人运动控制以及直升机的高空姿态运动控制。由一种光纤波与水听器连接构成的安全海防海域传感控制系统，是目前正在研究开发的新型军事防卫网络系统，该网络系统已经开始推广用于国家海上安全边防和重要重点军事任务地区的安全海防海域警戒。近几年，快速发展起来的基于新型光纤海防传感网络技术的海防光纤网络安全海域警戒控制系统，也已经开始在海上边防及主要任务区域的军事防卫中得到了广泛的推广和应用。

5 结束语

分布式新型光纤网络结构监测技术确切地说它是当代高科技的精华，是一种理想的新型国防安全网络监测技术信息系统，安全网络监测技术研究工作者一定程度上应对此技术进行积极的研究和推广。