2. 光纤传感基础

分布式温度传感（DTS）之所以能在一根光纤上实现“沿线连续测温”，根本原因在于光纤既是传输介质，又是传感介质。光在纤芯中传播时，会与材料微观结构发生多种散射作用；不同散射机制携带的信息不同，对温度的敏感程度也不同。理解光纤传输原理与三类散射的差异，是后续选择 DTS 方案、设定空间分辨率与测温精度的理论起点。

一、光纤传输原理：全反射与模式约束

普通通信光纤由纤芯、包层和涂覆层构成。纤芯折射率 n₁ 略高于包层折射率 n₂，当光从纤芯射向包层且入射角大于临界角时，发生全内反射，光被约束在纤芯内向前传播。临界角满足：

sin θc = n₂ / n₁
数值孔径 NA = √(n₁² − n₂²)
归一化频率 V = (2πa/λ)·NA

其中 a 为纤芯半径，λ 为波长。V 值决定光纤支持的模式数量：V 较小为单模光纤，只允许基模传输；V 较大为多模光纤，存在多个模式。DTS 系统中，单模光纤常用于长距离、高空间分辨率场景，多模光纤则因耦合效率高、成本低，在短距离测温中仍有应用。光在纤芯中传播时会因吸收、弯曲和散射产生衰减，而散射正是 DTS 获取温度信息的物理来源。

二、三类散射的物理本质

光在光纤中传播时，主要产生瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。它们分别对应不同的微观机制和频移特征。

• 瑞利散射：由纤芯材料密度、成分的微观不均匀性引起，属于弹性散射，散射光频率与入射光相同，无频移。它是光纤损耗的主要来源之一，强度约为入射光的 −30 dB 至 −40 dB。瑞利散射对温度不敏感，但可用于 OTDR 测距和光纤断点定位。
• 拉曼散射：光子与光纤分子振动（光学声子）相互作用，产生非弹性散射。散射光分为斯托克斯光（低频移）和反斯托克斯光（高频移），频移量约 13 THz。反斯托克斯光强度强烈依赖温度，斯托克斯光对温度不敏感，二者强度比可用于解调温度。
• 布里渊散射：光子与声学声子相互作用，产生约 11 GHz 的频移，分为自发布里渊散射和受激布里渊散射。布里渊频移与声速相关，而声速随温度和应变变化，因此布里渊散射可同时测量温度和应变，但需要区分二者交叉敏感问题。

三、三类散射对比与 DTS 选型

下表从频移、温度敏感性、空间定位方式和典型应用四个维度进行对比：

四、DTS 中的信号链与解调流程

以拉曼散射 DTS 为例，典型信号链如下：脉冲激光器发出窄脉冲光，经波分复用器注入光纤；光纤中产生的背向拉曼散射光返回，经波分复用器分离出斯托克斯光和反斯托克斯光；两路光分别由光电探测器转换为电信号，再经放大、采样和累加平均，最后由信号处理器计算温度。其核心关系为：

R(T) = I_as / I_s ≈ C · exp(−hΔν / kT)
T = hΔν / [k · ln(C / R(T))]

其中 I_as 为反斯托克斯光强度，I_s 为斯托克斯光强度，h 为普朗克常数，Δν 为拉曼频移，k 为玻尔兹曼常数，T 为绝对温度。通过测量强度比 R(T)，即可反推出温度。空间定位则依据光脉冲往返时间：

z = c · t / (2 · n_eff)

其中 z 为距离，c 为真空光速，t 为往返时间，n_eff 为光纤有效折射率。时间采样间隔决定空间分辨率，脉冲宽度决定最小可分辨距离。

五、常见误区与复盘