據(jù)中國激光雜志社網(wǎng)，于2025年11月02日報道，今年在我國西南、西北黃土高原地區(qū)，因持續(xù)強降雨頻發(fā)山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災害，威脅大眾生命和財產(chǎn)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(tǒng)鋪設于山體、河床等地，將光纖視為大地的“神經(jīng)末梢”，實時捕捉沿線微小的形變和溫度變化。與傳統(tǒng)監(jiān)測相比，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百萬數(shù)量級的傳感通道，形成一張覆蓋廣闊區(qū)域的感知網(wǎng)絡。
在我國“十四五”新型基礎設施建設規(guī)劃中，這類全天候、全方位感知網(wǎng)絡，是構建智慧城市神經(jīng)系統(tǒng)的關鍵技術基座。那么，這些關鍵的“神經(jīng)末梢”是如何通過環(huán)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(fā)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(wěn)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(chǎn)生散射光。載波光或散射光在光纖中傳輸時依據(jù)光纖的參數(shù)具有相應的傳輸特性。因此，當光纖周圍的環(huán)境擾動引起光纖纖芯參數(shù)，例如折射率、直徑、彎曲程度等變化時，這些參數(shù)會調(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，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(shù)的變化，進而對光纖以及環(huán)境進行監(jiān)測。
傳統(tǒng)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(jié)點，每個節(jié)點獨立檢測局部參數(shù)。因此POFS的原理是基于光纖局部結(jié)構的調(diào)制，通過波長或光強變化檢測參數(shù)，特點是僅能檢測傳感器所在位置的參數(shù)，無法感知節(jié)點之間的區(qū)域。
作為大地的“神經(jīng)末梢”，分布式光纖傳感（DOFS）技術的發(fā)展有效地解決了POFS離散監(jiān)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(zhì)，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(xiàn)沿光纖全長的連續(xù)測量。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)感知實時監(jiān)測，有效地替代數(shù)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(fā)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?shù)娜鹄⑸涔饪苫貍鞯桨l(fā)射端，進而可通過后向散射光的回傳時間實現(xiàn)全鏈路的監(jiān)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(jiān)測，如分布式聲波傳感（DAS），常用于油氣管道泄漏監(jiān)測、地震測量、基礎設施安全監(jiān)測等等。
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。由于光學介質(zhì)中大量質(zhì)點的熱統(tǒng)計運動會產(chǎn)生彈性聲波，它會引起介質(zhì)密度隨時間和空間的周期變化，從而使介質(zhì)折射率也隨時間和空間周期性發(fā)生改變，形成一個運動光柵。當一束光入射到該介質(zhì)時，受到光柵“衍射”作用，產(chǎn)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(zhì)中分子振動或轉(zhuǎn)動模式相互作用發(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），強度變化量與產(chǎn)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(tǒng)廣泛應用于電力工業(yè)，實現(xiàn)電纜溫度的實時監(jiān)測和預警。
前向干涉型分布式光纖傳感技術基于干涉結(jié)構利用前向傳輸光作為信號光進行傳感測量，其干涉結(jié)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(fā)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(fā)生改變后與參考光干涉會導致干涉光強發(fā)生變化，從而感知外界擾動。SI干涉型的原理是利用環(huán)形光路中順時針與逆時針光進行干涉，檢測動態(tài)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(tǒng)通過其獨特的高密度、高精度監(jiān)測能力，在地震觀測領域?qū)崿F(xiàn)了突破。DOFS可沿數(shù)千米光纖部署超過萬級等效傳感器節(jié)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(tǒng)，成功實現(xiàn)地震前兆信號的毫秒級捕捉；海底地震監(jiān)測：利用海底通信光纜改造為地震傳感網(wǎng)絡，在2023年日本海溝實驗中實現(xiàn)里氏1.5級微震的精準定位；火山活動監(jiān)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(fā)前72小時的地質(zhì)異常。
2、油氣勘探與開發(fā)的技術革新
在油氣領域，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(fā)監(jiān)測方面，在頁巖氣水平井部署永久式光纖陣列，實現(xiàn)壓裂過程實時三維監(jiān)測。DOFS 技術的發(fā)展助力環(huán)境監(jiān)測，多參量感知系統(tǒng)同步監(jiān)測溫度、壓力、聲波等參數(shù)，實現(xiàn)了油氣勘探開發(fā)的技術革新。
3、重大基礎設施健康監(jiān)測體系
基礎設施的結(jié)構健康關系到人民的幸福安康，健康監(jiān)測極為重要。在橋梁監(jiān)測創(chuàng)新上采用布里淵光時域分析（BOTDA）技術，實現(xiàn)毫米級形變監(jiān)測，在臺風預警上有成功的案例，港珠澳大橋系統(tǒng)在2023年臺風“泰利”期間實時捕捉應變異常，為橋梁的結(jié)構健康監(jiān)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(jiān)測軌道的應變和振動情況，及時分析和發(fā)現(xiàn)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(jiān)測體系
在飛行器中，通常將光纖粘貼在結(jié)構表面或嵌入結(jié)構內(nèi)部,以光纖作為媒介進行傳感和傳輸,實現(xiàn)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(jié)構設計為多路徑載荷傳遞，為了更準確地獲取結(jié)構響應,要根據(jù)結(jié)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(wǎng)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(shù)監(jiān)控、傳感光纜的效能表現(xiàn)、系統(tǒng)可靠性、經(jīng)濟成本以及智能化集成等諸多要素。此外，推動產(chǎn)品的標準化與高度集成化成為了不可或缺的發(fā)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(xù)飛躍，上述種種挑戰(zhàn)與難題終將迎刃而解，預示著DOFS技術的大規(guī)模普及與應用將迅速成為現(xiàn)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(chǎn)學研共振持續(xù)升溫，第二屆分布式光纖傳感技術及應用大會將延續(xù)“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(chǎn)業(yè)閉環(huán)”的核心命題，匯聚全球頂尖院士團隊、行業(yè)龍頭技術決策者、一線場景攻堅力量，以更高規(guī)格、更實路徑破解技術轉(zhuǎn)化瓶頸，共塑分布式光纖傳感技術的產(chǎn)業(yè)“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(tǒng)
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(jiān)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
