本书从实用性和先进性出发，较全面地介绍光纤传感的基础理论和光纤传感在各领域的应用。全书共8章，主要内容包括：光纤技术基础、光学效应、光纤无源器件、光纤有源器件、光纤解调技术、分立式光纤传感器、分布式光纤传感器、光纤传感技术的应用。本书提供配套的电子课件PPT、习题参考答案等。本书可以作为高等院校光学专业的相关课程的教材，也可供相关领域的工程技术人员学习、参考。

当代科学技术进入了高速发展时期，大数据信息化时代也随之而来。通信技术、计算机技术及传感技术是信息技术的三大基础，其中，传感技术是获得信息的前端技术，是完成各种数据采集的重要工具。 1970年，自世界上第一根真正意义上的光纤问世以来，光纤便进入了飞速发展阶段。光纤最初作为光波信息传输的媒介，具有低损耗、高速度、抗干扰和低成本等优势。随着光纤在各行业的发展应用，人们发现光在光纤内传播时，其光强、相位、波长、偏振态和频率等特征参数会受到外界环境的影响。据此，人们意识到光纤除了可作为传播媒介，其在传感领域也拥有广阔的前景。 经过多年的研究，如今已经开发出适用于不同环境的各类光纤传感器。各类光纤传感器凭借各自独特的优势，在科研和工业界（包括航空航天、石油化工、医疗、电力传输等领域）都有着重要的地位。光纤传感技术如今已经具备极其重要的学术价值，同时具有广阔的市场应用前景。近些年来，各高校陆续开设了光纤传感领域的相关课程，用于培养该领域的专业技术人才。 为了进一步加强光纤传感基础教学工作、适应高等院校正在开展的课程体系与教学内容的改革、及时反映光纤传感领域的研究成果、积极探索适应21世纪人才培养的教学模式，我们编写了本书。 本书有以下特色。 （1）根据研究型教学理念，采用研究型学习的方法，即“提出问题——解决问题——归纳分析”的问题驱动方式，突出学生主动探究学习在整个教育教学中的地位和作用。 （2）在内容及描述上，我们换位思考，站在非光学专业学生的角度描述理论、概念等，避免了堆砌大量非光学专业学生用不到的专业词汇。 （3）基本思路清晰。以光纤传感为主线，光纤技术基础打头，由浅入深。从各基本光学效应过渡到各类型光学器件，由分立式光纤传感器延伸至分布式光纤传感器，并对不同光纤解调技术都进行详细讲解。最终，通过对光纤传感在各领域应用的介绍，对光纤传感技术的发展做了总结与展望。 （4）注重将光纤传感领域的最新发展状况适当地引入教学，保持了教学内容的先进性。而且，本书源于光纤传感专业课程教学实践，凝聚了工作在一线的任课教师多年的教学经验与教学成果。 本书共8章，从实用性和先进性出发，较全面地介绍光纤传感的基础理论和工程实践方面的应用，内容包括：第1章讲述光纤技术基础，介绍光纤的结构与分类、光纤的导光原理、光纤的损耗特性、光纤的色散特性、光纤的偏振特性与双折射效应、光纤的非线性特性，以及光缆基础知识；第2章讲述光学效应；第3章讲述光纤无源器件；第4章讲述光纤有源器件；第5章讲述光纤解调技术，主要包括强度解调、波长解调、频率解调、相位解调及偏振态解调；第6章讲述分立式光纤传感器；第7章讲述分布式光纤传感器；第8章讲述光纤传感技术的应用。 通过学习本书，学生可以有以下收获。 （1）了解光纤的结构、分类及各种本征特性。 （2）认识各种光纤有源器件、光纤无源器件。 （3）掌握各种光纤传感原理及光纤解调技术。 （4）对光纤传感领域的系统知识及专业应用有详细的理解与掌握。 本书语言简明扼要、通俗易懂，具有很强的专业性、技术性和实用性。本书是作者在光纤传感专业教学的基础上逐年积累编写而成的。每章都附有相应习题，供学生课后练习，以巩固所学知识。 教学中，可以根据教学对象和学时等具体情况对书中的内容进行删减和组合，也可以进行适当扩展，参考学时为32～64学时。为适应教学模式、教学方法和手段的改革，本书提供配套的电子课件PPT、习题参考答案等，请登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）注册后免费下载，也可联系本书编辑（wangxq@phei.com.cn，010-88254113）索取。 本书第1、2、3章由尚盈编写，第4、5、6章由王晨编写，第7、8章由黄胜编写。 本书在编写过程中参考了大量近年来出版的相关技术资料，吸取了许多专家和同人的宝贵经验，在此向他们深表谢意。 由于光纤传感领域发展迅速，作者学识有限，书中误漏之处在所难免，望广大读者批评指正。 作 者 2022年12月

第1章 光纤技术基础 1 1.1 光纤的结构与分类 1 1.1.1 光纤的结构 1 1.1.2 光纤的分类 2 1.2 光纤的导光原理 4 1.2.1 光在介质分界面上的全反射 5 1.2.2 光线在光纤中的传播 5 1.2.3 光波在光纤中的传播 9 1.3 光纤的损耗特性 12 1.3.1 光纤的损耗系数 13 1.3.2 吸收损耗 13 1.3.3 散射损耗 14 1.3.4 辐射损耗 15 1.4 光纤的色散特性 15 1.4.1 时延差和色散系数 16 1.4.2 材料色散和波导色散 17 1.4.3 模间色散 18 1.4.4 光纤的传输带宽 19 1.5 光纤的偏振特性与双折射效应 21 1.5.1 单模光纤的理想偏振特性与双折射效应 21 1.5.2 保偏光纤的理想偏振特性与双折射效应 22 1.5.3 纯单模光纤的双模态 22 1.6 光纤的非线性特性 23 1.6.1 非线性折射 24 1.6.2 受激非弹性散射 25 1.6.3 参量过程与四波混频 27 1.6.4 光学孤子 28 1.7 光缆基础知识 29 1.7.1 光缆结构的基本要求 29 1.7.2 光缆按结构分类 30 1.7.3 光缆的其他类型 30 1.7.4 光缆的型号 32 课后习题 34 参考文献 34 第2章 光学效应 35 2.1 光学多普勒效应 35 2.2 声光效应 36 2.3 磁光效应 37 2.3.1 法拉第效应 37 2.3.2 克尔磁光效应 38 2.3.3 磁光效应的应用 39 2.4 电光效应 40 2.4.1 泡克耳斯效应 41 2.4.2 基于电光效应的光纤电压传感技术 42 2.4.3 一种基于电光效应的光纤电压传感器 46 2.5 弹光效应 46 2.6 萨尼亚克效应 47 2.6.1 圆形光轨道的情况 47 2.6.2 任意形状光轨道的情况 48 2.6.3 光纤陀螺的原理 50 2.7 光声效应 52 2.7.1 液体光声效应的激光激发机制 52 2.7.2 液体光声效应的应用 53 课后习题 55 参考文献 55 第3章 光纤无源器件 57 3.1 光纤连接器 57 3.1.1 光纤连接器的基本原理和结构 57 3.1.2 光纤与光纤的连接损耗 59 3.1.3 光纤连接器的技术指标 60 3.2 光纤耦合器 61 3.2.1 光纤耦合器概述 61 3.2.2 熔锥型光纤耦合器 61 3.2.3 光纤耦合器的技术指标 62 3.3 波分复用器 63 3.3.1 波分复用器概述 63 3.3.2 角色散型波分复用器 64 3.3.3 干涉型波分复用器 64 3.3.4 光纤耦合器型波分复用器 64 3.3.5 其他类型的波分复用器 65 3.3.6 波分复用器的技术指标 65 3.4 光纤滤波器 66 3.4.1 干涉滤波器 66 3.4.2 光纤马赫-曾德尔（M-Z）滤波器 66 3.4.3 光纤法布里-珀罗（F-P）滤波器 67 3.5 光隔离器 68 3.5.1 光隔离器的功能及原理 68 3.5.2 光隔离器的技术指标 70 3.5.3 光隔离器的应用 70 3.6 光环形器 70 3.6.1 光环形器的功能及原理 70 3.6.2 光环形器的技术指标 72 3.7 光衰减器 72 3.7.1 光衰减器概述 72 3.7.2 光衰减器的分类 72 3.7.3 固定式光衰减器与可变光衰减器 73 3.7.4 光衰减器的技术指标 73 3.8 光开关 74 3.8.1 光开关概述 74 3.8.2 机械式光开关 74 3.8.3 非机械式光开关 75 3.8.4 光开关的技术指标及特性参数 75 3.9 偏振控制器 76 3.9.1 偏振控制器概述 76 3.9.2 偏振控制器的基本原理 76 课后习题 78 参考文献 78 第4章 光纤有源器件 80 4.1 光纤有源器件简介 80 4.2 半导体光源 81 4.2.1 半导体光源的基本原理 81 4.2.2 发光二极管（LED） 82 4.2.3 激光二极管（LD） 84 4.2.4 PIN型光电二极管（PIN-PD） 86 4.2.5 雪崩光电二极管（APD） 88 4.3 光纤激光器 88 4.3.1 光纤激光器的基本原理 88 4.3.2 单频半导体激光器 89 4.3.3 掺稀土光纤激光器 90 4.3.4 光纤非线性效应激光器 96 4.4 光纤放大器 97 4.4.1 掺铒光纤概述 98 4.4.2 掺铒光纤的放大特性 98 4.4.3 光纤放大器的性能指标 100 4.4.4 放大自发辐射（ASE）光源 103 4.4.5 光纤非线性效应放大器 107 4.4.6 宽带光纤放大器 108 课后习题 109 参考文献 109 第5章 光纤解调技术 112 5.1 强度解调 112 5.1.1 光栅匹配法 113 5.1.2 边缘滤波法 115 5.1.3 光栅啁啾法 116 5.1.4 激光匹配法 117 5.1.5 射频探测法 117 5.2 波长解调 118 5.2.1 干涉解调法 119 5.2.2 滤波解调法 121 5.3 频率解调 123 5.4 相位解调 124 5.4.1 干涉仪的信号解调 124 5.4.2 3×3耦合器解调法 128 5.4.3 相位产生载波（PGC）解调法 130 5.4.4 数字正交相位解调（I/Q解调）法 134 5.5 偏振态解调 138 5.5.1 偏振基础理论 138 5.5.2 偏振拍频调控 140 5.5.3 偏振解复用 141 课后习题 143 参考文献 143 第6章 分立式光纤传感器 147 6.1 强度调制型光纤传感器 147 6.1.1 反射式强度调制 148 6.1.2 透射式强度调制 149 6.1.3 微弯调制 150 6.1.4 折射率强度调制 151 6.1.5 光吸收系数调制 152 6.1.6 光学相干层析术 152 6.2 波长调制型光纤传感器 153 6.2.1 波长调制型光纤传感器的基本原理 153 6.2.2 光纤内腔传感技术 154 6.3 频率调制型光纤传感器 154 6.4 相位调制型光纤传感器 155 6.4.1 相位调制型光纤传感器的基本原理 155 6.4.2 相位调制光纤传感的基本原理 156 6.4.3 光纤陀螺传感技术 158 6.4.4 光纤法布里-珀罗（F-P）传感器 159 6.5 偏振调制中的常用物理效应 160 6.5.1 弹光效应 160 6.5.2 法拉第效应 161 6.5.3 泡克耳斯效应 162 6.5.4 克尔效应 162 6.6 光纤光栅传感技术 162 6.6.1 光纤光栅分类 162 6.6.2 光纤布拉格光栅（FBG）传感器 164 6.6.3 光纤光栅传感器 165 课后习题 166 参考文献 166 第7章 分布式光纤传感器 169 7.1 基于后向散射的分布式光纤传感原理 169 7.1.1 基于瑞利散射的分布式光纤传感原理 170 7.1.2 基于拉曼散射的分布式光纤传感原理 171 7.1.3 基于布里渊散射的分布式光纤传感原理 172 7.2 基于瑞利散射的全分布式光纤传感技术 174 7.2.1 光时域反射（OTDR）技术与相敏感型的光时域反射（φ-OTDR） 技术 174 7.2.2 相干光时域反射（COTDR）技术 176 7.2.3 偏振光时域反射（POTDR）技术 179 7.2.4 光频域反射（OFDR）技术 185 7.3 基于拉曼散射的全分布式光纤传感技术 187 7.3.1 基于拉曼散射的光纤温度传感器的原理 187 7.3.2 拉曼光时域反射（ROTDR）技术 188 7.3.3 拉曼光频域反射（ROFDR）技术 191 7.4 基于布里渊散射的全分布式光纤传感技术 193 7.4.1 布里渊光时域反射（BOTDR）技术 193 7.4.2 布里渊光时域分析（BOTDA）技术 202 7.4.3 布里渊光频域分析（BOFDA）技术 207 7.5 基于干涉原理的分布式光纤传感技术 210 7.5.1 基于迈克耳孙干涉仪的分布式光纤传感技术 210 7.5.2 基于马赫-曾德尔（M-Z）干涉仪的分布式光纤传感技术 211 7.5.3 基于萨尼亚克干涉仪的分布式光纤传感技术 211 7.5.4 基于复合型干涉仪的分布式光纤传感技术 212 课后习题 213 参考文献 213 第8章 光纤传感技术的应用 217 8.1 光纤传感技术在电力领域的应用 217 8.1.1 技术背景 217 8.1.2 光纤传感系统的设计 218 8.1.3 变压器光纤局部放电监测系统 219 8.1.4 智能变电站全光纤监测应用实例 220 8.1.5 高压电缆分布式光纤温度监测系统（DTS） 221 8.1.6 分布式光纤传感器在电力系统中的应用 222 8.2 光纤传感技术在油气资源领域的应用 224 8.2.1 技术背景 224 8.2.2 分立式光纤传感器在油气资源领域的应用 225 8.2.3 分布式光纤传感器在油气资源领域的应用 227 8.3 光纤传感技术在管道泄漏监测领域的应用 233 8.3.1 技术背景 233 8.3.2 分立式光纤传感器 233 8.3.3 分布式光纤测温的原理 234 8.3.4 技术优势 236 8.3.5 系统组成及实施 236 8.3.6 应用案例 237 8.4 光纤传感技术在煤田、矿山领域的应用 240 8.4.1 技术背景 240 8.4.2 分立式光纤传感器在煤田、矿山领域的应用 240 8.4.3 分布式光纤传感器在煤田、矿山领域的应用 243 8.4.4 煤矿安全生产光纤综合监测系统 245 8.5 光纤传感技术在结构安全健康监测领域的应用 245 8.5.1 分立式光纤传感技术在桥梁安全健康监测领域的应用 245 8.5.2 分布式光纤传感技术在桥梁安全健康监测领域的应用 247 8.6 光纤传感技术在医疗领域的应用 248 8.6.1 光纤传感技术在中医脉象信息诊断中的应用 248 8.6.2 光纤传感技术在葡萄糖检测中的应用 249 8.6.3 光纤传感技术在血流速度检测中的应用 252 8.6.4 光纤传感技术在医疗领域的其他应用 253 8.7 光纤传感技术在地质勘探领域的应用 254 8.7.1 技术背景 254 8.7.2 分立式光纤传感器在地质勘探领域的应用 254 8.7.3 分布式光纤传感器在地质勘探领域的应用 256 课后习题 258 参考文献 259

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