分布式光纤技术（DFOS）作为一种颠覆性的传感手段，打破了传统点式传感器的空间局限，以光纤为同时兼具传感与传输功能的介质，实现对长距离、大范围区域内物理参量的连续分布式监测。其核心依托于光在光纤中传播时的自然散射效应，通过精准解析散射光信号的变化，反演被测环境的温度、应变、振动等关键信息，广泛应用于油气管道、电力电网、高铁交通、海底工程等关键基础设施领域。深入理解其技术原理，是把握该技术应用与创新方向的基础。

一、核心基础：光在光纤中的散射效应

当激光在光纤中传输时，光子会与光纤材料的分子、晶格振动发生相互作用，产生不同类型的散射现象，这是分布式光纤技术实现传感功能的物理基石。根据散射过程中光子能量是否变化，可将其分为弹性散射与非弹性散射两大类，不同散射效应对应不同的传感应用场景。

1.1 弹性散射：频率守恒的信号载体

弹性散射过程中，光子仅改变传播方向，能量与频率保持不变，主要包括瑞利散射和布里渊散射。瑞利散射由光纤内部的分子热运动、折射率微观不均匀性引起，散射强度与入射光波长的四次方成反比，是光信号在光纤中衰减的主要原因之一，但同时也为振动监测提供了信号源。布里渊散射则是光子与光纤晶格振动产生的声子相互作用的结果，散射光频率会发生微小偏移（即布里渊频移），且该频移与光纤所处的温度、应变呈显著线性关系，成为温度与应变分布式测量的核心依据。

1.2 非弹性散射：频率偏移的信息窗口

非弹性散射过程中，光子与介质分子发生能量交换，导致散射光频率发生改变，典型代表为拉曼散射。拉曼散射分为斯托克斯散射（光子向分子转移能量，频率降低）和反斯托克斯散射（光子从分子获取能量，频率升高），两种散射光的强度比值与环境温度存在严格的定量关系，且不受光纤应变影响，因此成为分布式温度测量的核心技术支撑。

二、主流技术路径：基于不同散射效应的传感原理

基于上述散射效应，结合光时域反射（OTDR）技术，分布式光纤技术形成了三大主流技术路径，分别对应不同的测量需求，各有技术特点与应用边界。

2.1 瑞利散射型：分布式振动传感（DAS/DVS）

瑞利散射强度较弱，但对光纤的微小扰动（如振动、变形）极为敏感。基于瑞利散射的分布式传感技术主要采用相干光时域反射（C-OTDR）方案，通过发射高稳定性的相干激光脉冲，接收沿光纤返回的瑞利散射光，利用相干检测技术捕捉散射光相位、振幅的变化。当光纤受到外界振动干扰时，会导致局部光纤折射率或长度发生微小变化，进而引起散射光信号的波动，系统通过分析该波动信号的时间与强度特征，可实现对振动事件的精准定位与识别。该技术具有响应速度快、空间分辨率高的优势，适用于防入侵监测、高铁声屏障振动监测、油气管道泄漏预警等场景，测量距离可达50公里以上。

2.2 布里渊散射型：分布式应变与温度传感（DSTS）

布里渊散射的频移特性使其能够同时实现温度与应变的分布式测量，主要分为布里渊光时域反射（BOTDR）和布里渊光时域分析（BOTDA）两种技术方案。BOTDR基于自发布里渊散射，仅需单端接入光纤，通过测量散射光的频移量反演温度与应变，系统结构简单、部署便捷，适用于无法双端布线的场景，如海底光缆监测。BOTDA则基于受激布里渊散射，通过同时发射泵浦光与探测光，利用两束光的相互作用增强散射信号强度，测量精度与信噪比显著优于BOTDR，但需双端接入光纤，广泛应用于电力线路覆冰应变监测、大型建筑结构健康监测等高精度需求场景。

为解决温度与应变的交叉敏感问题，科研领域已开发出零差BOTDR技术，利用多模光纤中多个布里渊散射信号的互拍效应，无需扫描布里渊散射谱即可实现温度与应变的双参量解耦测量，进一步拓展了技术应用范围。

2.3 拉曼散射型：分布式温度传感（DTS）

基于拉曼散射的分布式温度传感技术（DTS）通过瑞利光时域反射（R-OTDR）系统，同时采集斯托克斯与反斯托克斯散射光信号，利用二者强度比值与温度的定量关系实现温度分布式测量。由于拉曼散射的温度响应不受应变影响，该技术在温度监测领域具有独特优势，可实现±0.5℃的高精度温度测量，测量距离可达20公里。在电力电缆温度监测、隧道火灾预警、油气井温监测等场景中，DTS技术能够精准捕捉局部温度异常，为安全运维提供数据支撑。

三、系统构成与信号解析：从光信号到物理参量的转化

分布式光纤传感系统的核心功能是将散射光信号中的微弱变化转化为可量化的物理参量，其硬件构成与信号处理算法共同决定了系统的测量性能，主要包括信号发射、信号传输、信号接收与信号处理四大模块。

3.1 核心硬件模块

信号发射模块负责产生高稳定性、高相干性的激光脉冲，不同技术路径对激光光源的要求存在差异，如BOTDA系统需双频激光源，C-OTDR系统则对激光的相位稳定性要求极高。信号传输模块即传感光纤，既是光信号的传输载体，也是感知环境变化的敏感元件，特种光纤（如低损耗光纤、抗偏振噪声光纤）的研发可显著提升系统性能。信号接收模块由光电探测器、放大器组成，负责捕捉微弱的散射光信号并将其转化为电信号，同时抑制噪声干扰。

3.2 信号处理核心逻辑

散射光信号往往极其微弱，且夹杂着偏振噪声、瑞利衰落噪声等干扰信号，需通过复杂算法进行提纯与解析。核心逻辑基于光时域反射原理：激光脉冲在光纤中以固定速度传播，系统记录散射光信号的返回时间，结合光速与光纤折射率可计算出散射点的位置（即事件定位）；同时通过分析散射光的频率（布里渊频移）、强度比值（拉曼散射）或相位/振幅（瑞利散射），反演对应位置的物理参量。为提升测量精度与效率，行业广泛采用脉冲编码技术、分段傅里叶变换、神经网络融合算法等，解决空间分辨率与测量范围的矛盾，缩短信号采集时间。

四、关键性能指标：技术应用的核心约束

分布式光纤技术的应用效果受多项性能指标约束，其中空间分辨率、测量范围、测量精度与稳定性是核心评价维度，各指标间存在一定的相互制约关系，需根据实际应用场景进行权衡优化。

空间分辨率决定系统区分相邻两个测量点的能力，主要受激光脉冲宽度影响，脉冲越窄分辨率越高，但脉冲能量越低会限制测量范围；测量范围则受光纤衰减、信噪比制约，通过提升激光功率、优化信号检测算法可延长测量距离，目前主流技术已实现100公里以上的超长距离监测；测量精度受光源稳定性、噪声抑制能力、算法精度影响，温度测量精度可达±0.5℃，应变测量精度可达±1με；稳定性则需克服温度漂移、偏振相关噪声等影响，通过优化系统结构（如马赫曾德干涉仪结构抑制偏振噪声）可提升长期运行可靠性。

五、技术融合与发展趋势

随着光电子技术与人工智能算法的迭代，分布式光纤技术正朝着多参量融合、高精度、小型化、智能化方向发展。一方面，通过多技术路径融合（如POTDR与BOTDR结合），实现振动、应变、温度的同步分布式测量，满足复杂场景的全面监测需求；另一方面，单频布里渊光纤激光器、微型电光调制器等器件的创新，推动系统向小型化、低功耗方向发展，降低部署成本。同时，结合5G通信、数字孪生技术，分布式光纤传感系统可实现监测数据的实时传输与动态建模，为基础设施的智能运维提供更全面的决策支撑。

综上，分布式光纤技术的核心原理根植于光的散射效应，通过精准调控与解析光信号，实现了“一根光纤即一个监测网络”的突破。其技术路径的多样性与性能的持续优化，使其在关键基础设施安全监测领域的应用潜力不断释放，成为智能化建设中不可或缺的核心感知技术。