作者：Arthur H. Hartog

研究专著

CRC 出版社（CRC Press）

泰勒与弗朗西斯集团（Taylor & Francis Group）

国际标准书号：

International Standard Book Number-13, ISBN-13）：

978-1-4822-5957-5

***部分：基础原理

Basic Principles

***章：概述（下篇）

Introduction

1.3  分布式光纤传感器的性能评估标准

1.3.1  四个关键性能指标

        1.3.1.1  被测量分辨率

        1.3.1.2  测量范围

        1.3.1.3  空间分辨率

        1.3.1.4  采样分辨率

        1.3.1.5  测量时间

1.3.2  性能指标之间的相互关系

1.3.3  关键性能参数的估算

1.3.4  传感器精度与串扰

1.4  商业化历史中的成功与失败

1.4.1  拉曼分布式温度传感

1.4.2  商业化布里渊散射分布式应变与温度传感器

1.4.3  分布式振动传感

1.5  其他相关技术

1.6  分布式传感与密集点阵传感器阵列

1.7  本书的组织结构

分布式传感器在监测领域中引入了至少一个全新的维度，它们能够确定目标参数的空间分布。在某些应用中，以往使用的传统技术只能进行间歇式测量，而***安装的分布式传感器还能进一步实现对参数随时间变化的连续测量。这种由分布式光纤传感系统（DOFS）特点所带来的信息量提升，是以牺牲每个可分辨点的测量精度为代价的。事实上，可以明确指出：任意一个分布式传感器在单个位置上的测量性能，都不可能优于***进的单个点式传感器。因此，在分布式传感器的设计与规格制定中，存在明显的性能权衡（trade-offs）。这些权衡将在后续针对不同类型的 DOFS 技术中进行讨论。而在此之前，本节将先从更一般的角度，对 DOFS 的性能评估标准进行阐述。此外，用于评估 DOFS 的性能指标和方法，也与传统传感器截然不同，具有该技术特有的标准体系。

1.3.1  四个关键指标

分布式光纤传感器（DOFS）的主要性能方面可由以下几个指标来描述：

•  被测量分辨率（Measurand Resolution）；

•  空间分辨率（Spatial Resolution）；

•  测量范围（Range）；

•  实现所述测量分辨率所需的测量时间（Measurement Time Required to Achieve the Stated Measurement Resolution）。

分布式传感器性能的某些方面与传统的单点传感器类似，也可以用相同的方式来描述。例如，我们需要明确以下内容：被测量分辨率（measurand resolution）与系统所需的测量精度（accuracy）；系统的动态范围（dynamic range）；可接受的工作条件（acceptable operating conditions）；以及完成一次测量所需的时间（time taken for the measurement）。这些参数共同定义了传感系统在不同应用条件下的性能边界与适用性。

1.3.1.1  被测量分辨率

被测量分辨率（measurand resolution）指的是传感器区分被测物理量微小变化的能力。这一概念与传统的单点传感器类似；然而，对于分布式光纤传感器（DOFS）来说，每一个可分辨点（resolvable point）大致相当于一个独立的传感单元（sensing point）。通常情况下，被测量分辨率会随光纤长度的位置而变化，因为信号在光纤中传播的过程中会逐渐衰减，导致远端位置的信号更弱、分辨率更低。

1.3.1.2  测量范围

传感器的量程（range）是指能够被测量的***传感光纤长度。量程还决定了系统的***脉冲重复频率（pulse repetition rate）：在发射新的探测脉冲之前，测量设备必须等待前一个脉冲传播到光纤末端并且其回波（后向散射信号）返回到光纤输入端。如果脉冲重复率设置得过高，后发的脉冲会与前一脉冲的后向散射信号在光纤中重叠，从而导致空间定位的歧义（location ambiguity）。

当然，量程参数（range parameter）与从光纤输入端到***远测量点的累计损耗（cumulative loss）直接相关。因此，系统量程规格通常可以基于一个***光纤长度以及单位长度的***允许损耗来定义。在某些情况下，更合适的做法是分别指定***光纤长度和***累计损耗。例如，当系统中包含大量熔接点或连接器时，这些部件会显著增加光纤的整体损耗，从而影响可测量的有效距离。

1.3.1.3  空间分辨率

对于分布式传感器，还必须定义其在相邻位置区分被测量参数数值的能力，也就是说，需要定义系统的空间分辨率（spatial resolution）。

通常情况下，分布式传感器会对光纤沿线被测物理量的突变做出响应，其输出会呈现出边缘模糊的效果。图 1.8 展示了实际的被测量分布（实线）与传感器检测结果（虚线）之间的差异。空间分辨率（δz）通常定义为：当传感器响应一个突变时，输出信号从 10% 过渡到 90% 的距离范围。换言之，δz 表征了传感器探测一个突变所需的距离区间，该距离越小，空间分辨率越高。

空间分辨率的 10% ~ 90% 定义适用于确定传感器输出中突变再现的程度。对于小尺度特征，还可以将其理解为分布式光纤传感器（DOFS）的空间响应函数，即传感器在被测量量中存在一个非常窄的尖峰（例如在分布式温度传感 DTS 中的一个很小的热点）时的输出响应。

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