分布式光纤传感技术及其在航空航天领域的应用展望.pdf

分布式光纤传感技术是利用光纤中的背向散射机制来实现对物理量的监测。这项技术的原理主要包括三种散射效应：瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。分布式光纤传感技术具有高灵敏度、良好的电磁兼容性、安全性高以及易于集成于复合材料中等优点。它能够实现对光纤上任意位置的物理量进行测量，传感点连续无盲区，极大地简化了传感器的布设难度，提高了监测的可靠性，因此在航空航天领域具有非常广泛的应用前景。 分布式光纤传感技术的物理机制是基于光纤中的背向散射，通过对背向散射光信号的测量来实现对外界物理量的监测。目前，这项技术已实现了多达上百种物理量在全光纤上的分布式测量，监测的物理量包括应变、振动和温度等。其中基于瑞利和布里渊散射效应的分布式传感技术对温度和应变敏感，广泛应用于结构健康监测和振动监测领域，而拉曼散射信号对应变不敏感，一般只用于温度传感。 分布式光纤传感技术主要包括分布式布里渊光纤传感技术和分布式瑞利光纤传感技术。其中，分布式布里渊光纤传感技术是基于光纤中的布里渊散射效应，该效应涉及到泵浦光、斯托克斯光和声波场的三波耦合过程。由于声波场的衍射作用，泵浦光的能量会向斯托克斯光转移。泵浦光与斯托克斯光之间存在一定的频差，这个频差是监测物理量的关键信息源。 分布式瑞利光纤传感技术则基于瑞利散射，它通过对光纤中瑞利散射光信号的测量，实现对光纤沿线物理量的监测。与布里渊散射一样，瑞利散射也能够提供关于温度、应变等物理量的高精度信息。 分布式光纤传感技术在航空航天领域的应用可以追溯到航空领域的飞行测试，包括但不限于飞机的结构健康监测。随着技术的不断成熟，该技术在航天领域的潜在应用包括对航天器结构健康监测、周界安防、地球物理等领域的监测。由于分布式光纤传感技术对电磁干扰具有免疫力，它特别适合于那些传统电子传感器难以工作的环境，比如恶劣的电磁环境或者要求高安全性的场合。 在未来，分布式光纤传感技术有望在航天器的结构健康监测中发挥更重要的作用。随着复合材料和柔性材料在航天领域的应用日益增多，分布式光纤传感技术因其与材料的易集成特性，可以为航天柔性材料的形态监测提供可行的技术途径。通过嵌入或涂覆在结构表面，分布式光纤传感器可以持续监测材料的健康状况，实现对航天器结构损伤的早期预警，从而提高宇航员的安全性和航天任务的成功率。