分布式光纤传感的发展历史

一项划时代技术的溯源之旅

在现代基础设施健康监测、环境感知和工业安全领域，分布式光纤传感（DOFS）技术正以前所未有的精度绘制着物理世界的“神经图谱”。鲜为人知的是，这项尖端技术的起源可以追溯到近半个世纪前的一项基础性突破——光学时域反射仪（OTDR）。

OTDR：分布式感知的“胚胎” (1976-1977)​​

1970年代中期，光通信的萌芽推动了对光纤性能精确诊断的需求。1976至1977年间，OTDR技术诞生并被成功验证。其核心原理简单而强大：向光纤发射短暂的光脉冲（探测脉冲），并精密捕捉那些因光纤内部“不完美”而返回发射端的光信号。

• ​探测与诊断：​​ 最初目标直指定位光纤中的故障点（如断裂、劣质熔接）和测量线路损耗。OTDR如同为光纤“做B超”，通过分析返回光信号的强度和时间延迟，绘制出沿光纤的“光功率-距离”分布图。
• ​微光中的秘密 – 瑞利后向散射：​​ OTDR图中关键的连续衰减斜线，揭示了一个隐藏的宝藏——微弱的瑞利后向散射信号。这是探测脉冲在传播中，因光纤固有的微观不均匀性（瑞利散射）向四面八方散射的光中，极少部分被光纤“捕获”并导回发射端形成的。它虽微弱，却携带着光纤沿线衰减特性的连续分布信息。
• ​局限与种子：​​ 尽管OTDR开创性地实现了沿光纤的“分布式”测量（衰减分布），其本质仍是检测“损耗”。这限制了其作为通用传感器的潜力——高损耗区域会严重遮蔽下游信息，多点同时感知能力受限。然而，它验证了通过分析后向散射光来获取空间分布信息的可行性，为DOFS埋下了核心基因。最初，OTDR 被用于检测光纤传输线中的衰减或反射故障与缺陷，但后来它的应用范围逐渐扩大，如用于确定光纤特性的分布，比如数值孔径、纤维直径或模场直径等。

POTDR：偏振维度的探索 (1980年代初)​​

OTDR成功后，科学家开始探索如何从返回光中榨取更多信息。1980年，Alan Rogers提出概念并由包括本文作者在内的团队实现验证的关键进展——偏振光时域反射仪（POTDR）​。

• ​新维度解锁：​​ POTDR的核心突破在于分析后向散射光的偏振状态（SOP）​。瑞利散射点能“记忆”入射光的偏振态。因此，沿光纤返回的后向散射光的偏振态变化，能反映光纤自身或外界环境（如磁场、侧向压力、弯曲）对光偏振的调制作用。
• ​希望的曙光与现实的壁垒：​​ POTDR首次证明，除强度（衰减）外，光的偏振属性也可用于分布式传感。然而，其早期应用遭遇阻碍：一方面，它无法完整描述复杂的偏振演变（如扭曲的影响）；另一方面，普通光纤中多种扰动同时影响偏振，难以可靠分离并精确定量单一被测量（如仅测磁场或仅测压力）。

尽管在20世纪80年代初期曾开展了大量关于POTDR的研究，但其应用相对较少，主要有两个原因。首先，它不能完整描述光纤中光传播的 SOP 状态，POTDR 信号会受到磁场和侧向压力等影响，但无法反映扭曲对 SOP 的影响。其次，在传统光纤中，SOP 同时受到多种因素影响，使得利用该技术可靠地检测单一测量值变得困难。如今正是站在OTDR/POTDR这位“巨人”的肩膀上，后续基于拉曼散射​（温度）、布里渊散射​（温度、应变）和瑞利散射相干域分析等原理的现代DOFS技术才得以蓬勃发展，最终成就了当今能同时感知温度、应变、振动、声波、化学物质等多维物理场在长距离上连续分布的强大感知网络。

总结：​​

分布式光纤传感的传奇，始于OTDR在光通信诊断中的探索，成于科学家们对微弱的背向散射信号中蕴含信息的持续挖掘和维度拓展。OTDR与POTDR的历史，是不断突破技术认知边界、将通信线缆转化为感知神经的进化史。它们铺就的道路，通向了一个由光纤编织的、日益智能的感知世界。