光纤传感领域目前形势如何？

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  从应用端的角度来说，应该正当时。据Frost&Sullivan的统计和预测，2021年我国光纤传感解决方案市场规模达到72.90亿元人民币，电网基建、城市管廊、油气能源基建、海底缆线行业投资的快速地发展促进了光纤传感市场进一步的繁荣，预计2021—2026年复合增长率为23.41%，2026年我国光纤传感解决方案市场规模将达到208.70亿元，是2021年市场规模的近3倍。

  随着我国信息技术的迅猛发展以及物联网产业兴起，与之匹配的各种传感器得到普遍应用，光纤传感是一种新型传感技术，通过光的反射、折射和吸收效应，光学多普勒效应、声光、电光、磁光和弹光效应等，可使光波的振幅、相位、偏振态和波长等参量直接/间接地发生明显的变化，因而，可将光纤作为敏感元件来探测各种物理量。

  该技术源自1977年，伴随光纤通信技术的发展而快速地发展起来，世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。此外，光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或场的加载，是一种优良的敏感元件；光纤本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。

  当光通过不均匀介质时会向四面八方传播，即为光的散射。散射是光波与光纤介质的粒子相互作用的结果。当光在光纤中传输时，由于光纤中折射率分布不均匀，也会发生散射，主要有瑞利散射，布里渊散射与拉曼散射三种形式。

  光纤传感的测量原理是利用光在光纤中传输能够产生后向散射原理。即在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，通过脉冲在光纤中传输的同时不断产生后向散射光波，该光波的状态受到所在光纤散射点的影响而改变，将散射回来的光波经波分复用、检测解调后，送入信号处理系统便可将信号实时显示出来，并且由光纤中光波的传输速度和背向光回波的时间可对这一些信息定位。

  根据光纤传感技术的工作原理所形成的光纤传感器及智能仪器仪表系统，最重要的包含光源、传输光纤、传感元件、光电探测器和信号处理单元等五个部分。光源相当于一个信号源，负责信号的发射；光纤是传输媒介，负责信号的传输；传感元件是感知外界信息，相当于调制器；光探测器负责信号的转换，将光纤送来的光信号转关成电信号；信号处理电路的作用是还原外界信息，相当于解调器。

  随着技术和需求的发展，光纤传感由单点检测逐渐发展成为多点准分布式和全分布式检测。分布式光纤传感测量是利用光纤的一维空间连续特性做测量的技术。光纤既作为传感元件，又作为传输元件，可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量，同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息，由于分布式传感技术可以在一定程度上完成大范围测量场中分布信息的提取，可解决目前测量领域的众多难题，因此成为未来国内外研究的热点。

  分布式光纤传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。根据智研咨询的统计数据，2019年中国分布式光纤传感器市场规模约44.4亿元，2014年至2019年CAGR为20.06%。假设该复合增速不变，据此预测2022年市场规模约76.8亿元、2023年市场规模约92.2亿元。

  由于分布式光纤温度传感系统中的检测光纤本征无源不带电，耐高电压和强电磁场、耐电离辐射，抗射频和电磁干优，防雷、防爆、抗腐蚀，能在有害环境中安全运作，是实用的“本安”型传感器，因此，在电力系统、交通领域、隧道、大坝、石油、化工、煤矿等危险区域的大面积、大范围的温度报警和火情监测等领域，已成为光纤传感技术和检测技术应用的发展的新趋势。从应用分布看，2019年中国分布式光纤传感市场应用以油气为主，包括油气管道、油气井下和油气抗震的应用，占了整体应用的45%。

  智能电网的基本特征就是信息化、自动化和互动化，要实现这一目标，作为信息采集的关元器件，传感器是不可或缺的，而光纤传感器由于其自身的优点，必将在电力系统中获得广泛的应用。

  采用分布式光纤传感器对输电线路进行温度测量在国外已得到广泛应用，而国内也在积极地开展这方面的研究工作分布式光纤传感器在输电环节的另一种应用，则是对输电线路的塔、线的结构健康监测，尤其是监测输电塔、线在恶劣环境(覆冰、大风、高低温等)下的受力情况，确保电力系统的安全可靠运行，这方面的研究处于起步阶段。如何充分的利用光纤传感器多参数测量的优势，如何将分布式光纤传感系统对温度和应力做测量与电缆故障诊断技术相结合，构成基于光纤传感器的电缆在线故障诊断系统，实现电缆温度、应力应变的实时监测和动态载流量分析，实时进行电缆电气故障分析、识别和定位，保障智能电网的安全可靠运行，将是分布式光纤传感器在输电环节应用的重点发展方向。

  高压电气设备中由于微波和电磁干扰的影响，传统的测温方法难于或者根本没办法得到真实的测试结果。而分布式光纤温度传感器与传统的各类温度传感器相比，其具有一系列独特的优点：使用光纤作为传输和传感信号的载体，有效克服了电力系统中存在的强电磁干扰；利用一根光纤为温度信息的传感和传导介质，可以测量沿光纤长度上的气温变化；使用先进的 OTDR 技术和 Raman 散射光对温度感的特性，探测出沿着光纤不同位置的温度的变化；实现真正分布式的测量， 很适合各种长距离的温度测量、在线实时监测等。

  山坡上布置基于布里渊散射的分布式光纤布里渊应力传感器。这种传感器利用光纤中的背向布里渊散射做测量，可以同时测量光纤沿线的温度和应力情况，并能精确定位测量点的位置。将这种光纤固定山体上的锚杆中，当山体发生滑坡时，碎石带动锚杆移动，从而拉扯光纤产生应力。根据散射光的强度和返回时间，即可知道山体滑坡发生的地点。该传感器只需要用普通光纤，成本较为低廉，同时其测量范围远大于光纤光栅传感器，能够达到几公里甚至几十公里。

  在北方，严重结冰发生的概率更大，每年都给铁路交通运输造成非常大损失。分布式光纤布里渊应力传感器可用于输电线的结冰监测。其方法是，将测量光缆与输电线安装在一起，当有结冰和积雪发生时，会导致测量光缆被拉伸，通过应力测量即可知道输电线缆是否有断裂的危险，并可准确地知道事故发生地点的位置。这种传感器体积小、质量轻，不会给输电带来额外的负荷；抗电磁干扰能力强，可以传输很远的距离；同时它准确判断位置的能力也是电类传感器没办法做到的。

  应用于工程领域的光纤传感技术主要有光纤光栅（FBG）、瑞利散射光时域反射（OTDR）和拉曼光时 域反射（ROTDR）、布里渊光时域反射（B0TDR）或布里渊光时域分析（BOTDA）。每种光纤传感技术的特 点不同。适用于不同的监测对象。FBG 技术主要进 行点式高精度监测，具有高速实时监测的性能，适用 于桥梁、隧道的重点部位的监测，成本适中，但是其监 测点数有限并存在盲区。其他几种传感技术的特点 及应用如表所示。

  分布式光纤管道监测技术属于长距离、低灵敏度的静态监测，对了解管道结构性能的整体变化趋势较为适用。日本ANDO公司研制开发了基于BOTDR技术的光纤应变/损耗分析仪，该分析仪对光纤沿线km的有效检测，测量精度和空间分辨率可达到±0.003%和1m；加拿大OZ公司的ForesightTM传感器系统可在50km测量范围内达到±2με和±0.1℃的应变和温度测量精度，同时空间分辨率可达到10cm。分布式光纤管道监测系统通常都可以对管道应变和温度一起进行测量，进而实现管道变形状况的实时连续监测。

  随着经济快速地发展和治安状况愈加复杂，一些重大工程建设项目和重点保护区域，如机场，火车站，军区等，都对安防提出了很高要求。而传统安防技术存在 性能差，误报率高，容易遭受雷击，使用铜缆等缺点，光纤周界防范系统能有效地克服现行周界安防系统的缺点，而且还具有监控距离长，无电磁辐射，抗干 扰能力强，可靠性高，工程项目施工相对简单等优点，是当 今安防市场发展的主流方向。

  目前正在运行的光纤传感安防系统，都是采用光 纤传感和视频监控、红外对射混合使用的手段，且这 种混合组网安防技术会存在相当长的一段时间。

  光纤传感技术的出现极大的丰富了油田的测试领域。近年来，分布式光纤传感技术的发展已趋于成熟，目前虽然光纤传感技术还未广泛地应用于油田开发领域，但它作为一种有着非常大潜力的新技术，必将大范围的应用于石油开发领域并发挥巨大作用。光纤传感器技术是改变石油产业游戏规则的关键技术，光学油田将是未来油田发展的必然趋势。

  近年来分布式光纤检测技术在复合材料中的应用受到格外的重视。在复合材料中埋入光纤,从而赋予结构智能功能,以监控结构的制作的完整过程及运作时的状态。为了精确地确定应力点位置与应力大小,目前发展了POTDR(偏振光时域反射)、OCDR(光相干域反射)、OFDR(光频域反射)和FMCW(调频载波)等技术,POTD是在OTDR基础上发展起来的技术,与OTDR相似,它需要高功率短脉冲技术,且其空间分辨率较低。

  FMCW技术实质上是一种OFDR技术,能够得到比POTDR高的空间分辨率,但受频率扫描非线性限制。OCDR能够得到高的空间分辨率和大的距离动态范围,但是它需要将光束经迈克尔逊空间干涉光路后耦合入光纤,因而给耦合带来一定困难。