2. 光纤传感基础
光纤传感系统的所有标定与部署问题，最终都要回到一个基本事实：光纤既是传光介质，也是敏感介质。理解光在纤芯中的传输行为，以及外界被测量如何改变光的某一可测参数，是后续波长解调、相位解调、空间定位与现场布设的共同基础。本节从传输原理出发，串联传感机理、三类主流光纤传感技术及其典型场景，为后续标定方法建立物理直觉。
一、光纤传输原理：全反射与模式约束
通信级单模光纤由纤芯、包层和涂覆层构成。纤芯折射率 n₁ 略高于包层折射率 n₂，当光以大于临界角的角度入射到芯包界面时发生全反射，光被约束在纤芯内向前传播。临界角满足 sinθc = n₂/n₁，数值孔径 NA = √(n₁²−n₂²) 决定了光纤的收光能力。单模光纤在 1550 nm 窗口纤芯直径约 9 μm，只允许基模传输，避免了模间干涉带来的不稳定；多模光纤纤芯 50/62.5 μm，适合短距离、低成本场景。
光在光纤中传播会经历三类损耗：吸收损耗（材料本征与杂质）、散射损耗（瑞利散射为主）和弯曲损耗（宏弯与微弯）。其中瑞利散射既是损耗来源，也是分布式传感的物理基础——正是背向瑞利散射光携带了沿纤位置信息。此外，温度、应变会通过热光效应和弹光效应改变纤芯折射率与光纤长度，从而改变光的相位、波长或偏振态，这正是光纤能够“感知”的根本原因。
二、传感机理：被测量如何调制光
按被调制的光参数划分，光纤传感机理主要有五类：
- 波长调制：外界量改变光栅周期或有效折射率，使反射/透射中心波长漂移，典型为 FBG，抗强度波动能力强。
- 相位调制：外界量改变光纤长度与折射率，引起干涉相位差变化，灵敏度极高，典型为 Michelson、Mach-Zehnder、Sagnac 干涉仪。
- 强度调制：外界量改变光功率，如微弯损耗、反射式探头，结构简单但易受光源波动影响。
- 偏振调制：外界量改变双折射，引起偏振态变化，用于电流、磁场传感。
- 频率/散射调制：利用布里渊、拉曼散射频移与强度，实现温度、应变的分布式测量。
下图给出光纤传感从被测量到解调输出的信号链关系，帮助建立“物理量—光参数—解调方式”的对应认知。
三、常见类型与选型要点
三类技术并非互相替代，而是按测量维度、空间分辨率和动态范围分工。FBG 属于点式或准分布式，单纤可串接数十个不同中心波长的光栅，适合关键点应变与温度监测；分布式传感利用背向散射，一根光纤即可获得沿线连续剖面，空间分辨率通常为米级，适合长距离、大范围监测；干涉型传感灵敏度最高，但通常只能给出整段光纤的积分响应，适合动态信号如水声、振动、电流的探测。
| 类型 | 调制参数 | 空间特性 | 典型被测量 | 标定关注点 |
|---|---|---|---|---|
| FBG | 波长 | 点式/准分布 | 应变、温度 | 波长-被测量灵敏度、温度交叉敏感 |
| 分布式 | 散射频移/强度 | 全分布、米级 | 温度、应变、振动 | 空间分辨率、衰减补偿、定标光纤 |
| 干涉型 | 相位 | 积分响应 | 水声、振动、电流 | 相位解调线性度、偏振衰落 |
四、典型应用场景与实操提示
在工程现场，光纤传感常见于四类场景：一是大型结构健康监测，如桥梁、大坝、隧道，采用 FBG 串接或分布式应变光缆；二是油气与市政管道泄漏监测，采用 DTS/DAS 沿管道敷设；三是周界安防与地震勘探，采用 DAS 获取振动信号；四是电力设备测温与电流测量，采用分布式测温或光纤电流互感器。
以 FBG 应变监测为例，标定前需明确光栅中心波长与解调仪扫描范围是否匹配，并记录参考温度。典型参数配置如下：
# FBG 解调仪典型配置示例
center_wavelength = 1550.120 nm # 光栅初始中心波长
scan_range = 1528 ~ 1568 nm
strain_sensitivity = 1.2 pm/με # 典型值，需实测标定
temp_sensitivity = 10 pm/℃ # 需与应变解耦
sampling_rate = 1 Hz # 静态监测
掌握传输原理、调制机理与三类技术的分工后，后续标定章节将围绕灵敏度系数、温度补偿、空间定位误差和长期漂移展开，把物理理解转化为可复现的标定流程。