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解 决 方 案
瑞利散射是指光波在介质内传播，与介质中的微粒发生的 示，将一束探测脉冲光通过双向耦合器注入到光纤中，脉冲光
一种散射，其散射光波长与入射光波长相同，光子频率不变但 在光纤中向前传输时会不断产生背向瑞利散射光，背向瑞利散
是传播方向发生改变。瑞利散射不具有方向性，散射光在整个 射光通过该双向耦合器耦合到光电检测器中，然后采集转换后
空间范围内都有分布，也就是说在各个方向都有可能存在散射 的电信号得到功率与长度关系图即可得到所需测量的信息。
光，其中与入射方向相反的瑞利散射光称为背向瑞利散射光。 光电检测器接收到连续的背向瑞利散射光，每个散射光都
由于背向散射光能方便地被探测器所接收以用于光纤性能的监 有对应的功率，这些功率与光纤中各个位置一一对应，通过检
测，因此瑞利散射光中通常仅利用背向散射光。光纤中瑞利散 测返回的背向瑞利散射光强度，就能通过光强变化获得被测光
射示意图如图1所示。 纤上的信息情况。
图1 瑞利散射光示意图 图2 ＯＴＤＲ原理框图
3、Φ-OTDR技术
普通的OTDR技术仅仅能够探测到光纤传感线路上折射率的
突变，如断点和裂纹等，但是光纤传感线路上相对微弱的振动
2、OTDR技术
信息却不易被探测到。为了克服以上不足Taylor于1993年提出
光时域反射技术（OTDR）最早应用于通信领域，是目前应
了Φ-OTDR技术。当光纤线路受到外界干扰时，该区域的长度和
用最广泛的分布式光纤传感技术。目前，它主要应用于光纤损
折射率等光学传感特性将会发生变化，从而导致该位置的光相
耗、连接断裂点等的检测。其原理如下；
位发生变化，假设传感光纤长度为L0，光在该段光纤中传输所
设光纤发射端面（z＝0）发出脉冲光，到接到该脉冲光在
引起的相位为
光纤中z＝L处产生的瑞利散射光所需时间为t，在时间t内，光
波从发射端至该位置往返传播一次，因此L可表示为
（5）
L＝vt/2 （1）
式中，为中心波长，ｎ为光纤的折射率。
式中，ｖ是光在光纤中的传播速度。根据该公式可以获得
当该段光纤受到振动影响时，其所对应的相位变化量为
振动发生的位置。设光纤的衰减系数为ａ，则脉冲光传播到光
纤ｚ位置处的峰值功率为 （6）
-az
P(z)=P 0 e （2）
式中△ｎ和△L 0 分别为光纤折射率和长度的变化量△L0＝
式中，P 0 为首端脉冲光功率，ｚ为光纤中与首端的距离。
εL 0 其中为光纤的纵向应变张量。
对于光纤中脉宽为Ｗ的脉冲光它的瑞利散射功率P R 为
通过散射光的干涉，相位变化会引起背向散射光功率变
化。公式如下所示
（3）
式中，P为入射脉冲光峰值功率，ａ ｓ 为瑞利散射系数，ｓ
（7）
为背向瑞利散射光功率捕获因子。
将式（2）代入式（3）可得该处产生的瑞利散射率。当脉
式中，E 0 为入射光场幅度，ｎ为空间分辨率，P和γ分别为
冲光返回到光电探测器时，功率变为
偏振系数和反射系数，Φ ｋL 为第ｋ和L个散射点的散射光场相位
差。
（4）
光电探测器探测到的干扰位置散射光相位呈周期性变化，
通过式（4）可知，OTDR得到的光纤沿线的瑞利散射曲线为
通过散射光的干涉效应，光相位变化引起了背向瑞利散射光功
一条呈指数衰减的曲线，该曲线反映了光纤沿线的损耗情况。
率的变化，经过光电探测器后光信号转化为电信号，再通过信
当脉冲光在光纤中传播遇到断点、裂纹等情况时，脉冲光会产
号处理单元就可以得到散射光功率，从而实现对振动信号的检
生一个突变的反射或衰减，根据突变可判断存在断点、裂纹，
测。光脉冲经过环形器耦合进入到传感光纤中，并连续不断地
根据式（1）可以获得该点的位置。高性能OTDR还可应用于温
返回散射信号，形成散射曲线，散射曲线上的点与光纤长度相
度、应力以及长距离扰动信号的检测。OTDR的工作原理如图2所
对应，通过检测散射光返回时间可以实现信息定位。Φ-OTDR传
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