分布式光纤传感技术综述

尚 盈，王 昌

1.齐鲁工业大学（山东省科学院）激光研究所，山东济南250014

2.齐鲁工业大学光电工程国际化学院，山东济南250014

随着电力、环境、石油石化及基础建设、要地安防等行业的快速发展，安全生产和边界检测的要求愈来愈高。在管线安全、周界防范、地震和海啸检测、海洋检测勘探、井下微地震压裂检测等重要领域内，对声场/振动场的时空分布状态进行测量和实时监控的需求也越来越迫切。分布式光纤传感器兼具传感、传输功能于一体，能够获得物理量的空间、时间多维分布信息，是目前光纤传感领域的研究热点之一。

目前常见的分布式光纤传感技术分为以下两类：干涉型分布式光纤传感技术和散射型分布式光纤传感技术。

1 基于干涉原理的分布式光纤传感技术

干涉仪的种类包括Michelson 光纤干涉仪、Mach-Zehnder 光纤干涉仪、Sagnac 光纤干涉仪及复合结构干涉仪等。基于上述不同干涉仪可形成干涉式分布光纤传感器，这类分布式光纤传感器具有高灵敏度的优点，但存在着易受干扰、检测范围短、定位算法复杂等问题。

1.1 基于Michelson 干涉仪的分布式光纤传感技术

Michelson 干涉仪[1]主要由3 dB 耦合器和2 个反射镜构成，分束后的激光通过反射镜的反射产生干涉效应。基于Michelson 干涉仪的分布式光纤传感技术的原理如图1 所示。激光器发出的激光经过耦合器后一分为二，分别进入Michelson 干涉仪的信号臂和参考臂，分束后的激光分别在信号臂和参考臂光纤中传输，经由反射镜反射后在3 dB 耦合器处进行干涉。如果信号臂存在扰动信号，干涉光相位受到扰动将发生变化，通过光强的变化信息的解调完成扰动事件的检测。

图1 基于Michelson 干涉仪的分布式光纤传感技术的原理图Figure 1 Schematic diagram of distributed optical fiber sensing technology based on Michelson interferometer

2001年，Chojnacki 等[2]将脉冲光注入Michelson 干涉仪，完成了振动信号的分布式测量，采用3×3 耦合器解调技术还原外界振动信号。2011年，北京邮电大学研究人员采用基于双Michelson 干涉仪波分复用（WDM）技术实现了长度为4 012 m、空间分辨率为±51 m 的检测[3]。由于Michelson 干涉仪的分布式光纤传感技术容易受外界干扰因素的影响，故需对干涉仪的参考臂进行有效隔声隔振，而该技术难以实现多点扰动的同时测量。

1.2 基于Mach-Zehnder 干涉仪的分布式光纤传感技术

Mach-Zehnder 干涉仪通过2 个3 dB 耦合器构成Mach-Zehnder 结构[4]实现干涉检测。基于Mach-Zehnder 型干涉仪的分布式光纤传感技术原理如图2 所示。激光经过3 dB 耦合器一分为二，分别进入到参考臂和信号臂光路，然后经过3 dB 耦合器进行合束、干涉，产生干涉信号。当干涉仪的信号臂有振动信号时，相应位置的光纤会产生形变，进而引起相位发生改变，同时监测相位信号实现振动信号的还原。

图2 基于Mach-Zehnder 型干涉仪的分布式光纤传感技术原理图Figure 2 Schematic diagram of distributed optical fiber sensing technology based on Mach-Zehnder interferometer

2008年，华中科技大学研究人员采用Mach-Zehnder 干涉技术，实现了检测长度为1 km、空间分辨率38 m 的分布式检测，采用环形Mach-Zehnder 结构实验验证了系统能够完成多点检测[5]。

1.3 基于Sagnac 干涉仪的分布式光纤传感技术

Sagnac 干涉仪由耦合器和光纤环构成，基于Sagnac 干涉仪的分布式光纤传感技术原理[6]如图3 所示，激光经3 dB 耦合器后一分为二，分束光分别沿顺时针和逆时针2 个方向在Sagnac 光纤环内传播，在耦合器相遇产生干涉。由于分束后的激光从3 dB 耦合器到达扰动事件点位置的时间不同，当再相遇时，在3 dB 耦合器处产生相位差，在干涉信号中解调出相位差即可获取外界振动信息。

图3 基于Sagnac 干涉仪的分布式光纤传感技术原理图Figure 3 Schematic diagram of distributed optical fiber sensing technology based on Sagnac interferometer

2014年，Wang[7]提出基于Sagnac 的二次FFT 算法，更加准确地获取第一频率陷波点，实现了检测长度为41 km 、定位精度为100 m 的多点振动信号的测量。

1.4 复合型干涉仪光纤分布式传感技术

单一干涉型光纤传感器具有结构简单、灵敏度较高的优点但同时存在定位困难、易受干扰等缺陷，为了更好地发挥干涉型光纤传感器的优点，相继出现了双Mach-Zehnder[8-9]、双Sagnac[10-11]、Sagnac-Machelson[12]、Sagnac-Mach-Zehnder[13-14]、双Machelson 等复合型结构。

基于双Mach-Zehnder 光纤干涉仪的原理[15]如图4 所示，该系统包含1 个光源及2 个探测器，光缆中3 根等长的光纤形成2 个对称的Mach-Zehneder 干涉仪，当干涉臂A、B 上有外界扰动信号产生时，由扰动信号引起的干涉光沿相反方向传输，探测器1 和2 分别获取2个具有一定延时的光强波动信号。2011年，清华大学Xie 等[16]提出了基于双Mach-Zehnder干涉仪的均方差预测理论（MSE），提高了定位精度。

图4 双Mach-Zehnder 光纤干涉仪原理图Figure 4 Schematic diagram of dual Mach-Zehnder fiber interferometer

2 基于后向散射技术的分布式光纤传感技术

2.1 基于拉曼散射的分布式温度传感技术

1928年，印度科学家拉曼首次发现了光波在被散射后频率发生改变的现象（后被称为拉曼效应，拉曼散射）[17]，因此荣获1930年的诺贝尔物理学奖，从此开启了人们对拉曼散射的深入研究。2016年，Bazzo[18]对传统拉曼分布式光纤温度传感器的低通特性进行了研究，显著降低了温度测量值的抖动，并提出了一个去卷积算法，提高了分布式拉曼温度传感系统的空间分辨率，与1m 空间分辨率相比，其分辨率增益高达6 倍。

2.2 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术

基于布里渊散射的分布式光纤传感器能够实现温度和应变的同时检测，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术测量精度高、单次测量信息获取效率高，科研人员对布里渊技术进行了广泛、深入的研究。

当前，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术按照工作原理可以分为以下四类：布里渊光时域反射技术（BOTDR）、布里渊光时域分析技术（BOTDA）、布里渊光频域分析技术（BOFDA）及布里渊相关连续波技术（BOCDA）。

1989年，日本NTT 的Horiguchi 等[19-20]提出了一种基于BOTDA 的光纤无损检测技术，主要利用到受激布里渊的放大特性，系统结构示意图如图5 所示。激光器1 和2 分别从传感光纤两端注入并相向传播[21]。其中激光器1 是频率为v1的脉冲泵浦光，激光器2 是频率为v2的连续探测光，且当2 个激光器的频率差v2−v1等于布里渊频移vB时，强脉冲泵浦光放大弱连续光信号，实现受激布里渊信号的放大。

图5 BOTDA 原理图Figure 5 Schematic diagram of BOTDA

在BOTDR 和BOTDA 研究初期，系统的空间分辨率难以满足实际工程中高精度的要求，而随着技术的发展，现已研制出cm 量级的BOTDA 系统[22]。

与BOTDR 相比，BOTDA 为了增强布里渊散射，用传输方向相反的两束激光使传感信号强度得到了受激增大，提高了温度、应变的测量精度，因而系统测量范围更大。然而，BOTDA系统采用双端输入且光路较复杂，系统成本略高，尤其双端泵浦-探测结构限制了该方案的应用。

BOFDA 是Ghafoori-Shiraz 等[23]在1985年提出的一种光纤无损检测技术，它是分布式布里渊光纤传感器频域实现方案的技术基础，其原理结构图如图6 所示。将频率不同的连续光注入传感光纤两端，并且调谐探测光νS与泵浦光νP的频差∆ν=νS−νP等于布里渊频移vB。为了得到传感光纤复合基带传输函数，首先用可变频率fm的信号源调制探测光的幅值，然后对于每一个调制信号频率fm，同时检测注入光纤的探测光强度IS(L) 和泵浦光强度IP(L,t)，利用网络分析仪获取传感光纤的基带传输函数，最后通过频域分析法进行空间定位。

图6 光频域分析技术原理图Figure 6 Schematic diagram of optical frequency domain analysis technology

相较于BOTDR 和BOTDA，BOFDA 能够获取的信噪比及动态范围更高，而BOFDA的空间分辨率和传感距离分别由频率扫描的范围和频率扫描步长决定，所以BOFDA 想要获得更高的性能指标，需要的测量时间也较长。

BOCDA 方案是由日本东京大学电子工程系的Hotate 等[24]提出的，基本原理结构图如图7 所示。在布里渊相关连续波技术中，正弦调制泵浦光与探测光的频率，沿传感光纤长度方向产生周期性的相关峰，相邻相关峰之间的间距可表达为

图7 布里渊相关连续波方案原理图Figure 7 Schematic diagram of Brillouin related continuous wave scheme

式中：fm是调制频率；νg是光波的群速度。

相关峰的位置随着调制频率fm的改变而改变，进而完成分布式测量。布里渊相关连续波方案采用连续波进行探测，该技术的测量速度大于基于脉冲探测的方案。该方案可获得的空间分辨率较高，但由于需要保证一次测量中传感光纤上只能存在一个相关峰，其传感距离较短。

2.3 基于瑞利散射的分布式光纤传感技术

当外界物理场环境（如声波、振动、温度、应变等）以及光纤线路的损耗、连接点和断点作用在传感光纤上某位置时，传感光纤中的弹光效应和热光效应导致了该位置的传感光纤的散射单元长度和折射率发生改变，从而引起该位置的后向瑞利散射光相位发生改变，传感光纤瑞利散射光的相位发生变化会导致传输到探测器的瑞利散射光相位差发生变化，引起检测到后向瑞利散射光强变化。

基于瑞利散射的分布传感技术包括OTDR、Φ-OTDR、POTDR、COTDR 等，如表1 所示。采用强度解调方式的OTDR 和POTDR 虽然具有定位精确、信号算法简单等优点，但需多次平均以提高信号的信噪比，因而导致系统的测量频率响应和灵敏度都难以提高；采用相位解调方式的Φ-OTDR 仅实现了探测光脉冲宽度范围内不同散射点之间的后向瑞利散射光干涉信号的相位解调，信号的信噪比不高；相位解调方式的COTDR 采用本振光与后向瑞利散射光干涉，光路及解调算法较复杂且对激光器性能要求较高。

表1 基于瑞利散射的分布式光纤传感技术Table 1 Distributed optical fiber sensing technology based on Rayleigh scattering

2.3.1 OTDR 技术

OTDR 技术采用大功率的光脉冲注入传感光纤，然后在同一端直接检测沿光纤轴向向后传输的瑞利散射光功率。其原理如图8 所示，将脉冲激光输入待测光纤，因为光纤中的散射光功率正比于入射点的光功率，所以使用光电探测器检测传感光纤长度方向传输的向后瑞利散射光功率[25]，就可获取沿光纤路径上的传输信息[26]，通过检测脉冲到达光电探测器的时间，就可以获得光纤发生事件的位置信息。光时域反射计技术经常应用于光纤衰减、连接损耗、破裂点和裂纹的测量。1976年，Jensen[27]首次提出了后向瑞利散射用于测量光纤传输衰减特性，后向瑞利散射技术在连接损耗、熔接和断点的测量方面得到了大力推广。

图8 OTDR 原理图Figure 8 Schematic diagram of OTDR

2.3.2 Φ-OTDR 技术

Φ-OTDR 的光源为窄线宽激光器，探测光脉宽内散射点之间的后向瑞利散射光干涉信号，是一种不同于OTDR 的新型分布式光纤传感技术[28]，基本原理图如图9 所示。强相干性的脉冲光通过环形器注入到传感光纤，当外界干扰信号作用在传感光纤某个位置区时，在此区域光纤内的折射率变化引起后向瑞利散射光的相位随之发生改变，从而导致后向瑞利散射干涉信号发生变化。传感光纤上干扰信号的位置是由输入光脉冲信号与接收到的信号之间的时延差决定的。

图9 Φ-OTDR 原理图Figure 9 Schematic diagram of Φ-OTDR

1993年，Taylor 等[29]提出了相位敏感型的OTDR（Φ-OTDR）技术，能够实现光纤弱折射率变化的检测，因此大大提高了OTDR 系统的检测灵敏度。2010年，Lan 等[30]提出了基于外差探测方案的移动平均、差分的算法，降低了随机噪声并突出瑞利散射曲线差异，实现了探测范围为1 km、空间分辨率为5 m 的分布式测量。

2011年，哈尔滨工程大学吕月兰[31]从理论分析和实验验证了折射率、激光频率和脉宽变化时对Φ-OTDR 波形的影响机理；中科院上海光机所潘政清等[32]通过数字相干探测实现了瑞利散射光的相位实时解调。2012年，Qin[33]等为了提高系统性能，在系统中采用保偏器件实现了振动位置信号信噪比为7.6 dB、空间分辨率为1 m 的测量，并将系统的频响提高到2.25 kHz。中科院上海光机所梁可桢[34]等在相位敏感光时域反射计的研究中采用了维纳滤波、数字相干检测技术，完成了传感范围为5 km、空间分辨率为5 m 的检测。2013年，天津大学安阳[35]等为了解决系统的偏振衰落现象，提出了基于琼斯矩阵的双光束干涉相位敏感OTDR 方案，实现了检测长度为5 km、空间分辨率为20 m、信噪比为9.5 dB 的测试。

2014年，北京航空航天大学李勤[36]等通过对系统的定位机制的研究，提出了一种基于功率谱的定位方法，完成了检测长度为9 km、空间分辨率为100 m、信噪比为19.4 dB 的测试。电子科技大学彭正谱等[37]利用前向的一阶拉曼放大及外差检测，将系统的传感距离提升至103 km，空间分辨率提升至15 m；中科院上海光机所潘政清等[38]在传统的Φ-OTDR 基础上，在声光调制器进行脉冲调制之前加入电光调制器，并将传统的Φ-OTDR 中的单位光散射周期分割成4 个频率的光，得到4 倍于传统Φ-OTDR 的频响；电子科技大学彭飞等[39]为了提高检测距离，采用相干探测技术、分布式拉曼放大技术相结合的方案实现了空间分辨率为8 m 情况下的131.5 km 超长距离的检测。

2015年，山东省科学院激光研究所Wang 等[40]提出了基于Φ-OTDR 的自相干方案，通过3×3 耦合器解调算法解调出不同强度的声波信号，该信号的强度正比于事件信号强度；南方科技大学Wu 等[41]用扁平光纤作为传感器，提高了Φ-OTDR 的SNR 达35 dB，实现检测范围为1.2 km，空间分辨率为5 m；东华大学Zhan[42]通过降低激光器的线宽和温度补偿的方案，实现检测范围为16 km，空间分辨率为6 m，SNR 为16 dB。

2016年，上海交通大学Yang 等[43]通过相位补偿方案降低Φ-OTDR 的检测长度，在传感光纤30 km 处的瑞利散射事件信号SNR 达8 dB；北京航空航天大学Zhong 等[44]研究了脉冲宽度以及脉冲光的峰值功率对Φ-OTDR 系统参数的影响。南京大学Zhang 课题组[45]提出了同时检测应变和振动的Φ-OTDR 方案，通过激光器的扫频实现应变的检测，固定某一频率实现了振动信号的检测，在时间序列内的OTDR 光强信号对光纤位置逐点进行快速傅里叶变换（FFT），得到了光纤位置处的振动信号的频谱，在距离为9 km 的传感光纤上实现的空间分辨率为2 m，应变测试精度为10 nε。

2018年，Wang 等[46]提出了基于Φ-OTDR 的分布式声波传感，分析了其线性特性，利用Golay 编码解调了单脉冲响应，有效消除了相干衰落并提高了传感信号的信噪比。2019年，Lin 和Rao 等[47]通过理论推导解释了相干衰落现象，并通过自由度选择的方式建立独立探测信道来抑制衰落现象。

2019年，Zhang 等[48]设计了相敏光时域反射计（Φ-OTDR）和拉曼光时域反射计（ROTDR）的一个混合分布式系统，可以同时重建沿传感光纤的声场和温度场，实现了长度为12 km、温度不确定度为0.95◦C、线性度为R2= 0.998 6 以及正弦振动频率为100 Hz 的同步测量。

2021年，Yu 等[49]提出了一种基于Φ-OTDR 和迈克尔逊干涉仪的分布式光纤振动传感系统，实现了沿传感光纤同时检测多个振动并正确解调振动波形、频率、位置和幅度，实现了6 000 m 处背景噪声电平为−32 dB、SNR 为28.09 dB 的测量。

2.3.3 COTDR 技术

COTDR 采用稳定性较高的强相干光源[50-52]，检测系统本振光与后向瑞利散射光的干涉信号实现分布式测量。COTDR 原理结构如图10 所示，稳定性较高的窄线宽激光器发出连续光。耦合器将激光分成两束：一束光经过声光调制器（AOM）调制脉冲光序列，脉冲光序列通过一个光环形器后注入到被测光纤；另一束光作为本振光。脉冲光序列在被测光纤中产生后向瑞利散射信号，后向瑞利散射信号通过光环形器进入一个耦合器与本振光形成外差相干，通过探测器检测干涉信号，解调出中频信号的功率，完成分布式传感测试。

图10 COTDR 原理结构图Figure 10 Schematic diagram of COTDR

1982年，英国电信实验室Healey 和Mayleon[53]首次提出基于外差相干的OTDR 系统，将峰值为5 µW、波长为1.52 µm 的功率光脉冲注入到长度为30 km 的探测光纤实现了全光缆的测量，这标志着COTDR 的诞生。

2010年，加拿大Ottwa 大学Bao 团队[54]提出对后向散射光与参考光产生的拍频信号进行锁相解调的方法，实现了空间分辨率为5 m、最高测量频率为1 kHz 的测量。2015年，俄罗斯Leonid 等[55]提出了COTDR 改进型的统计模型，能够获得后向瑞利散射信号的幅值、相位信息，并分析了幅值的谱特性、自相关特性以及相位信息的相关特性。2016年，上海交通大学何祖源团队[56]指出COTDR 中的本振光与后向瑞利散射光干涉会产生相位噪声，用辅助参考点进行相位噪声补偿实现了传感长度为30 km、空间分辨率为10 m 的测量。电子科技大学饶云江[57]团队提出了基于90◦光混频器的I/Q 零差解调检测的COTDR 方案，本振光与后向瑞利散射光分别注入90◦光混频器生成精确的I/Q 信号，此方法有利于消除偏振衰落带来的影响，实现了传感范围为12.56 km、空间分辨率为10 m 的系统测试。2017年，中科院上海光机所叶青、蔡海文团队[58]提出了基于相位解调双脉冲的COTDR 方案，设计了时延可调的迈克尔逊干涉，将声光调制器调制后的脉冲光变化为0/π 相位交替变化的双脉冲，分别接受奇偶序列实现扰动信号的解调，实现了正弦、方波以及三角波信号的解调，信噪比达20 dB，在长度为9.6 km 的传感范围内实现了高达0.5 MHz 的扰动信号的解调。2020年，Chen 等[59]提出了一种基于全数字正交相位码脉冲的相干光时域反射计（COTDR）方案。用具有频移和时移的全数字正交相位编码脉冲作为探测光，此方案仅需单通道检测，实验表明在长度为15.4 km 的光纤上可以较好地恢复波形信息。

在上述诸多COTDR 方案里，一般都需要后向瑞利散射光与本振光的卷积，激光器频率稳定性在COTDR 系统中是非常重要的。探测光信号在被测光纤中往返需要一定的时间，在此时间内本振光的频率发生了改变，导致外差中频信号发生改变。如果频率改变较大，中频信号跳到带通滤波器通带以外会导致探测光信号的丢失，影响系统的测量精度。

2.3.4 POTDR 技术

POTDR 技术是一种测量光背向瑞利散射信号中偏振信息的技术，可用于测量沿光纤长度方向的光纤中的偏振态分布，进而完成分布式光纤传感检测。目前，POTDR 技术采用线偏振光测量的方法，为了保证最大注入光纤光功率，POTDR 系统需要偏振控制器，为了完成某偏振态光功率的检测，系统一般还需起偏器和检偏器[60-61]。

POTDR 系统的两种测试结构如图11 和12 所示，两种测试结构的不同之处在于起偏器件和检偏器件的使用位置。将起偏器件和检偏器件与传感光纤直接连接，这种结构不仅实现了对注入光起偏，而且还实现了后向瑞利散射光检偏。如图12 所示，将起偏器放置于环形器的端口1 处，而检偏器放置在环形器的端口3 处。

图11 POTDR 方案1Figure 11 POTDR scheme 1

图12 POTDR 方案2Figure 12 POTDR scheme 2

当振动信号作用在光纤上时，光纤的折射率变化导致了双折射效应，从而改变了光纤振动点处的光偏振态，振动点位之后的光纤内的光偏振基本保持发生振动以后的偏振态。后向瑞利散射是弹性散射，散射点的偏振态保持不变。当振动信号发生后，振动前后的偏振态的光强将发生变化，POTDR 通过对比后向瑞利散射光强的变化就能分析出光纤所受振动的位置，完成分布式振动传感的测量。

1981年，Rogers[59]首次将POTDR 技术应用于场分布测量领域。在POTDR 系统里，如果传感光纤周围同时有多个振动信号产生，传感光纤后面的振动信号产生的偏振态变化有较大的几率会浸没在首个振动信号处的偏振态变化里，因此POTDR 系统有可能无法实现多点振动信号同时发生时的多点定位。此外，光的偏振特性非常容易受到检测环境中随机因素的影响，从而导致POTDR 系统测量不稳定，所以如何保持光信号还未注入传感光纤时偏振态的稳定是POTDR 技术急需解决的关键问题。

2.3.5 复合型分布式光纤传感技术

2.3.5.1 并联复合型分布式光纤传感技术

并联复合型分布式光纤传感技术是指将Michelson、Mach-Zehnder、Sagnac 等光纤干涉仪与Φ-OTDR 系统并联连接结合。两套系统独立运行，其中光纤干涉仪负责解调外界扰动事件信息的时频信息（幅值、相位、频率等相关信息）；Φ-OTDR 系统完成位置信息的解调。

2014年，重庆大学肖向辉[63]等为了实现高频响和高空间分辨率的同时测量，提出了基于Michelson 干涉技术与Φ-OTDR 技术相结合的分布式测量方法，Michelson 干涉仪负责还原高频率信号，后向瑞利散射信号负责定位振动信号，该系统分别为Michelson 干涉仪和Φ-OTDR 系统提供了不同光波长的连续光和脉冲光。在本方案的实验结果中，系统完成了最大频响为8 MHz、空间分辨率为2 m 的振动信号还原。

2016年，北京交通大学Liang[64]等提出了相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR）和迈克尔逊干涉仪（MI）相结合的方案以降低报警率（NAR）；Φ-OTDR 和MI 采用波分复用的方式进行工作，Φ-OTDR 提供位置信息，MI 干涉仪进行频域分析；通过Φ-OTDR 和MI 同时检测到实际干扰时才会提供真实的报警。实验发现，通过单个OTDRNAR 可以从13.5% 降低到1.2%，检测概率高达92%。天津大学Shi[65]利用两个不同波长的窄线宽激光器作为Φ-OTDR和Mach-Zehnder 干涉仪（MZI）的光源组成反射仪和干涉仪，Φ-OTDR 完成事件的定位功能，MZI 实现事件频率的解调，实现了1∼50 MHz 宽频率的检测，在2.5 km 检测范围内实现了20 m 的空间分辨率的检测。

2.3.5.2 串联复合型分布式光纤传感技术

串联复合型分布式光纤传感技术是指Michelson、Mach-Zehnder、Sagnac 等光纤干涉仪与Φ-OTDR 系统串联连接结合的技术，两套系统合二为一，协调运行。通过脉冲光的时间以及解调后向瑞利散射光的相位信息的解调，实现外界振动事件时频信息（幅值、相位、频率）和位置的检测。

2000年，Posey 和Johnson[66]等提出了后向散射技术与干涉仪技术复合型分布式光纤传感系统，实现了光纤不同位置处的后向瑞利散射光干涉，完成了干涉光的相位解调，实现了检测长度为400 m 的传感实验。2004年，美国海军研究实验室进一步研究改进复合型干涉分布式光纤传感系统[67]，完成了光纤长度为180 m 的测试，实现了在长度为10 m 的传感光纤上不同频率（分别为800 Hz、1 000 Hz 和1 200 Hz）的振动信号解调，并还原了振动信号的幅度值。

2013年，南安普顿大学的Masoudi 等[68]利用非平衡Mach-Zehnder 干涉仪，在距离为1 km 的范围内实现了不同位置处不同频率的动态应变测量，最小可探测应变为80 nε，并报道了该系统对声波的响应能力，相比之前的Φ-OTDR，其传感性能迈进了一大步。

2015年，中国科学院半导体研究所Fang 等[70]提出了基于相敏光时域反射计（Φ-OTDR）和相位生成载波解调算法的分布式光纤传感方案。在系统的接收端引入了不平衡的迈克尔逊干涉仪，含有扰动信号的后向瑞利散射光将在迈克尔逊干涉仪里产生干涉。利用相位载波解调算法解调出瑞利散射信号的相位信息，通过试验测得Φ-OTDR 系统的噪声电平约为3×10−3rad/Hz，信噪比约为30.45 dB，且Φ-OTDR 系统实现了传感长度为10 km、空间分辨率为6 m 的实时测量。

近几年来，研究人员将后向瑞利散射分布传感技术与干涉仪技术相结合，提出了并联、串联复合型分布式光纤传感技术，两种技术的对比如表2 所示。

表2 复合型光纤分布式传感技术Table 2 Composite optical fiber distributed sensing technology

3 结 语

本文详细阐述了国内外分布式传感技术的研究进展，重点分析了OTDR、Φ-OTDR、POTDR、COTDR 以及复合型分布式光纤传感技术的基本原理及技术优缺点。随着分布式光纤传感技术在传感距离和传感精度上的突破，其在周界安防、石油电力、大型结构等领域的安全监控方面将发挥愈发重要的作用。