分布式光纤传感技术原理及水利管网应用介绍

一、概述

      分布式光纤传感（Distributed Fiber Optic Sensing，DFOS）是将光纤本身作为全域连续传感器的新一代感知技术，区别于传统单点传感器仅能采集离散点位数据，整根光纤沿线每一段均可同步感知物理参数。整套系统无源无电、抗电磁干扰、防水耐腐蚀、可实现几十公里超长距离无缝监测，广泛应用于长距离输水顶管、综合管廊、桥梁、大坝等结构健康监测。

      在管网工程中，主要采用BOTDA 分布式应变光纤（测管壁形变）、DAS 分布式振动光纤（测管道漏损） 两类分布式光纤，搭配 FBG 光纤光栅作为定点高精度校核单元，构成多参量一体化管内监测网络。

二、核心底层物理原理：光纤三类背向散射效应

       激光在光纤内部传输时，会因二氧化硅微观杂质、分子热运动、光声耦合作用产生三种背向散射光，不同散射对应不同监测指标，是分布式光纤实现多参量感知的理论基础：

       瑞利散射（DAS 振动光纤核心）

光纤内部微观密度起伏引发弹性散射，散射光相位对外界振动、声波极度敏感。管道渗漏产生负压水流振动、管壁水流湍流冲击会挤压光纤，改变瑞利散射光相位；解调设备通过捕捉相位偏移，结合光脉冲往返飞行时间，精准定位振动发生位置，等同于沿管线布置无数微型水下麦克风。

       布里渊散射（BOTDA 应变光纤核心）

光子与光纤内部声子发生耦合产生频移，布里渊频移数值与光纤受到的拉 / 压应变、环境温度呈线性对应关系。管道沉降、管节错台、内压变化带来管壁拉伸压缩，会改变布里渊散射频率，系统可反演整条管线轴向、环向连续应变分布，实现管壁形变全域测量。

       拉曼散射（分布式测温 DTS）

光纤分子热运动产生非弹性散射，散射光强弱仅与温度相关，多用于电缆、管道温度异常监测，本项目作为辅助温度补偿链路使用。

三、两大主流分布式光纤详细工作原理

（一）DAS 分布式声学 / 振动光纤（管道漏损监测专用）

       光路发射环节

       解调仪发射窄线宽超短激光脉冲，沿铠装传感光纤射入管道内部，激光以接近光速向前传播。

       信号感知环节

       光纤紧贴管壁底部水流层布置，管道微小渗漏时，高压水流从缝隙喷射产生高频湍流振动，水体压力波动传递至光纤，光纤发生微米级形变；根据弹光效应，光纤折射率同步变化，引发沿线瑞利背向散射光相位改变。

       定位与解调环节

       散射光反向传回解调主机，通过计算激光发射与回波的时间差，换算振动精准位置（定位精度≤5m）；算法分离渗漏特征振动与水流、环境干扰波形，自动识别漏损并推送告警。

       核心优势

       整根光纤无断点连续测振，无需沿线供电，管内水下长期稳定运行，适配 41km 超长顶管全线漏损全覆盖监测。

（二）BOTDA 布里渊分布式应变光纤（管道形变监测专用）

       光路机制

       采用双向泵浦 - 探测光光路，光纤两端分别注入脉冲泵浦光与连续探测光，两束光发生布里渊相互作用，产生可检测的散射频移信号。

       应变感知逻辑

       受土体不均匀沉降、内水压力、地质滑移作用时，管壁产生轴向拉伸 / 压缩、环向挤压变形，光纤与管壁紧密粘接，形变同步传递给光纤，直接改变布里渊散射频移数值。系统建立 “频移 — 应变” 线性标定曲线，输出整条管线连续应变剖面，直观判断管壁薄弱、增厚变形区段。

       温度补偿机制

       布里渊频移同时受温度影响，系统配套独立测温光纤，自动扣除水温带来的应变干扰，保证形变数据真实有效。