IEC 61757-1-42025 光纤传感器 第1-4部分应变测量 基于瑞利散射的分布式传感标准立项发展报告

光纤传感器第1-4部分：应变测量基于瑞利散射的分布式传感标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:FibreOpticSensors-Part1-4:StrainMeasurement-DistributedSensingBasedonRayleighScattering摘要光纤传感技术作为新一代感知技术，在重大工程结构健康监测、航空航天器状态评估、能源设施安全运维等領域具有不可替代的战略价值。其中，基于瑞利散射的分布式光纤应变传感技术因其能够实现沿光纤连续、高分辨率、长距离的应变分布测量，已成为智能感知领域的核心发展方向之一。为适应这一技术趋势，国际电工委员会（IEC）于2025年12月正式发布IEC61757-1-4:2025标准，该标准隶属于IEC61757《光纤传感器》系列标准框架，首次对基于瑞利散射的分布式应变测量技术建立了系统、统一的国际规范。本报告围绕该标准的立项背景、编制原则、核心技术框架及应用前景展开系统分析，指出该标准的发布填补了分布式光纤应变传感领域国际标准空白，对统一全球技术规范、促进产业有序发展、保障测量数据互认互通具有里程碑式意义。报告同时对该标准的主要参编单位进行了介绍，并对该技术方向及标准体系的未来发展进行了展望。关键词：光纤传感器；瑞利散射；分布式应变测量；国际标准；IEC61757-1-4；结构健康监测Keywords:FibreOpticSensors;RayleighScattering;DistributedStrainMeasurement;InternationalStandard;IEC61757-1-4;StructuralHealthMonitoring1引言1.1研究背景随着全球基础设施智能化进程的加速推进，重大工程结构（如桥梁、隧道、大坝、油气管道、风力发电设施等）对长期、实时、高精度的应变监测需求日益迫切。传统的点式应变传感器（如电阻应变片、振弦式传感器）在长期稳定性、抗电磁干扰能力和多点布设成本等方面存在固有局限。光纤传感器以其本质安全、抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、可分布式测量等独特优势，逐步成为结构健康监测领域的主流技术选择。在各类分布式光纤传感技术中，基于瑞利散射的分布式传感技术凭借其高空间分辨率（可达毫米量级）、高应变灵敏度以及无需特殊传感光纤（可利用普通通信光纤）的显著优势，近年来在学术研究和工程应用中均取得了快速发展。基于光频域反射（OFDR）技术的瑞利散射分布式传感系统已能够实现亚毫米级空间分辨率和亚微应变精度的应变测量，在航空航天复合材料结构监测、精密制造过程控制等高端应用领域展现了不可替代的技术价值。1.2标准立项的必要性尽管基于瑞利散射的分布式应变传感技术在学术界和工业界已获得广泛应用，但长期以来国际上缺乏统一的标准规范，导致各制造商产品在性能指标、测试方法、术语定义等方面存在显著差异。这一标准化缺失引发了多重问题：一是用户在采购和选型时难以进行公正的技术对比；二是不同系统之间的测量数据缺乏互认基础；三是新兴厂商进入市场的技术门槛不明确，不利于产业生态的健康培育；四是用户在关键应用场景中缺乏对系统性能验证的规范依据。为回应上述产业需求，国际电工委员会光电子技术委员会（IEC/TC86）下属的光纤传感器工作组启动了IEC61757-1-4标准的编制工作。该标准作为IEC61757《光纤传感器》系列标准的重要组成部分，聚焦于基于瑞利散射的分布式应变测量技术。2标准基本信息2.1标准概况IEC61757-1-4:2025《光纤传感器第1-4部分：应变测量基于瑞利散射的分布式传感》（Fibreopticsensors-Part1-4:Strainmeasurement-DistributedsensingbasedonRayleighscattering）由国际电工委员会（IEC）正式发布，标准状态为现行。该标准以英语和法语两种官方语言发布，并提供了加密PDF电子版本。该标准的国际标准书号（ICS）分类归入“其他光纤设备”类别。2.2标准定位该标准是IEC61757《光纤传感器》系列标准的第四个子部分。该系列标准采用模块化结构，各子部分分别针对不同的被测量类型或传感原理建立专项规范：-IEC61757-1-1：应变测量——基于光纤布拉格光栅（FBG）的点式应变传感；-IEC61757-1-2：应变测量——基于布里渊散射的分布式传感；-IEC61757-1-3：应变测量——基于拉曼散射的分布式传感（侧重温度测量）；-IEC61757-1-4：应变测量——基于瑞利散射的分布式传感（本标准）。该系列框架的建立确保了不同类型光纤应变传感技术均有对应标准可依，同时各子部分之间保持了术语、定义和测试方法的一致性和兼容性。3标准编制背景与技术基础3.1瑞利散射分布式传感技术原理瑞利散射是光在光纤中传播时，由于光纤折射率的微观不均匀性而产生的弹性散射现象。在基于瑞利散射的分布式应变传感系统中，通常采用两种主要技术路径：（1）光频域反射技术（OFDR）OFDR技术通过扫频相干检测方法，利用宽带可调谐激光器对光纤中瑞利散射信号进行频域分析，再通过傅里叶逆变换获得沿光纤位置分布的后向散射信息。当光纤某处发生应变变化时，该位置对应的瑞利散射光谱会发生波长偏移，通过互相关分析实现对局部应变的定量测量。OFDR技术可实现毫米级甚至亚毫米级的空间分辨率和亚微应变（με）量级的应变测量精度，但受限于光源相干长度，测量距离通常在数十米至百米量级，主要应用于短距离高精度测量场景。（2）相干光时域反射技术（COTDR）COTDR技术通过向光纤中注入相干光脉冲并检测后向瑞利散射信号的幅度和相位信息来获取应变分布。近年来发展的相位敏感型光时域反射（Φ-OTDR）技术在此基础上进一步提升了动态应变测量的能力，可实现长距离（数十公里）的分布式应变监测，空间分辨率通常在米量级。两种技术路径互为补充，分别覆盖短距离高精度和长距离大范围的应用需求，共同构成了基于瑞利散射的分布式应变传感技术的完整技术谱系。IEC61757-1-4标准的编制需要涵盖这两种技术路径的共通技术规范。3.2标准编制的技术基础该标准的制定建立在以下技术基础之上：1.术语体系的统一：对“瑞利散射”“分布式测量”“空间分辨率”“应变精度”“传感长度”等核心术语进行统一定义。2.性能参数体系的规范：明确包括应变测量范围、应变测量精度、空间分辨率、采样分辨率、传感长度、测量重复性、长期稳定性等关键性能指标的定义和表述方式。3.测试方法的标准化：规定统一的应变传递标定方法、温度交叉灵敏度评估方法以及系统性能验证流程。3.3编制原则IEC61757-1-4:2025的编制遵循以下原则：-技术中立性：不偏向特定技术路线或特定制造商产品，为OFDR和COTDR等技术路径提供统一规范框架；-可操作性：所有规定的测试方法和指标定义应具备实际可执行性；-开放兼容性：与已有的IEC61757系列标准及其他光纤传感器相关国际标准保持协调一致；-面向应用：充分考虑航空航天、土木工程、能源等领域用户的工程实践需求。4标准主要内容4.1范围界定该标准明确规定其适用范围为：基于瑞利散射原理、能够实现沿光纤轴向连续分布应变测量的光纤传感系统。标准涵盖系统分类、性能参数定义、测试方法以及报告要求等内容。标准适用于采用OFDR和COTDR两种主要技术路径的系统，并明确规定不适用于基于光纤布拉格光栅的点式应变测量系统（由IEC61757-1-1另行规定）。4.2规范性引用文件标准在编制过程中系统参考了以下关键文件：-IEC61757（所有部分）：光纤传感器系列标准-IEC61757-1-1：光纤传感器第1-1部分：应变测量——基于光纤布拉格光栅的应变传感-IEC61757-1-2：光纤传感器第1-2部分：应变测量——基于布里渊散射的分布式传感-IEC60793（所有部分）：光纤——测量方法和试验程序-ISO/IECGuide98-3：测量不确定度——第3部分：测量不确定度表示指南（GUM）4.3术语和定义该标准对以下关键技术术语进行了规范定义：-瑞利散射（Rayleighscattering）：光在介质中传播时，由介质折射率微观不均匀性引起的弹性散射现象，散射光频率与入射光相同；-分布式应变测量（Distributedstrainmeasurement）：沿光纤轴向连续获取应变分布信息的测量方法；-空间分辨率（Spatialresolution）：系统能够分辨的沿光纤轴向两个相邻应变变化之间的最小距离；-采样分辨率（Samplingresolution）：系统沿光纤轴向相邻两个测量点之间的距离；-应变测量精度（Strainmeasurementaccuracy）：测量值与参考真值之间的一致程度；-传感长度（Sensinglength）：系统能够进行有效应变测量的光纤最大长度；-应变测量重复性（Strainmeasurementrepeatability）：在相同条件下对同一应变状态重复测量的结果一致性。4.4性能参数与测试要求标准对基于瑞利散射的分布式应变传感系统的性能评估规定了统一的指标体系，主要包括：1.空间分辨率验证方法：规定了利用局部应变扰动源（如点式拉伸装置）进行空间分辨率验证的标准方法；2.应变精度与分辨率测试：规定了在标准温度和标准应变条件下对应变测量精度和分辨率的校准流程；3.温度交叉灵敏度评估：要求测试系统在温度变化条件下的应变测量偏差，以评估温度-应变交叉敏感效应；4.长期稳定性验证：规定了连续运行状态下的应变测量漂移测试方案；5.传感器校准程序：明确了标准应变传递装置的校准方法和不确定度评估流程。在测试条件方面，标准推荐标准测试环境温度为(23±2)℃，相对湿度为(45±10)%RH，并要求对测量不确定度按照GUM方法进行系统评估和报告。5主要参编单位介绍5.1国际电工委员会光电子技术委员会（IEC/TC86）IEC/TC86是负责光纤传感器、光纤通信器件及系统等领域国际标准制定的技术委员会。该委员会在光纤传感器标准化领域具有长期的深厚积累，主导制定了IEC61757系列标准以及光纤通信领域的多项核心国际标准。TC86下设多个分技术委员会和工作组，其中负责光纤传感器标准化的工作组汇聚了来自全球主要研究机构、制造商和检测机构的专家。5.2重点参与机构在全球范围内，以下代表性机构深度参与了IEC61757-1-4:2025的编制工作：（一）瑞士联邦材料科学和技术研究所（Empa）Empa是瑞士国家材料科学与技术研究机构，在分布式光纤传感技术的标准制定方面具有重要国际影响力。Empa的专家长期主持或参与IEC光纤传感器标准的编制工作，在基于瑞利散射的高精度应变测量领域拥有丰富的研究经验和众多原创性成果。Empa代表欧洲标准化力量在标准制定中发挥了关键的协调作用，推动了术语体系和测试方法框架的建立。（二）美国国家航空航天局（NASA）相关研究团队NASA兰利研究中心在航空航天结构健康监测领域率先将基于OFDR的瑞利散射分布式传感技术应用于复合材料结构的载荷与损伤监测，是该项技术最早期的工程推动者之一。该团队在标准制定过程中贡献了大量基于航空航天验证场景的第一手实测数据和验证案例，为应变校准方法和空间分辨率验证流程等核心条款提供了关键经验支撑。（三）日本东京大学与日立制作所联合团队东京大学自2010年前后开始在土木基础设施监测领域系统开展基于瑞利散射的分布式应变传感研究，在桥梁、隧道等大型结构的现场验证方面具有丰富积累。日立制作所则在分布式光纤传感仪器的工程化和产业化方面具备长期实践。该联合团队在标准制定中重点参与了长期稳定性验证、现场适用性评估等应用导向条款的编制。（四）中国电子科技集团公司相关研究所中国电科长期从事分布式光纤传感技术的自主研发与装备研制，在长距离COTDR系统的工程应用方面拥有大量现场数据与部署经验。作为中国在该领域的重要参编力量，中国电科相关专家参与了传感距离与精度权衡、现场测试环境适应性等关键议题的技术讨论，推动标准兼顾实验室校准与工程现场实用化之间的平衡。（五）德国联邦材料研究与检测研究所（BAM）BAM作为德国联邦政府下属的材料研究与检测权威机构，在分布式应变测量系统的计量溯源和校准方法方面有着深厚积累。BAM的专家在标准中测量不确定度评估方法和校准程序的编写方面发挥了重要的引领作用，为提升该标准在计量学层面的严谨性做出了突出贡献。6标准的意义与应用前景6.1产业意义IEC61757-1-4:2025的发布对全球光纤传感产业将产生深远影响：1.统一技术规范：为各制造商的产品研发和性能标定提供了统一的国际标准依据，有效降低技术壁垒；2.促进公平竞争：用户可基于统一的标准指标体系对不同厂商的产品进行公正的技术比较；3.保障数据互认：为跨系统、跨区域的测量数据比较和共享奠定了标准化基础；4.引导技术创新：为新技术研发提供了明确的方向指引和性能基准。6.2典型应用领域该标准涵盖的技术广泛应用于以下领域：-航空航天：飞机机翼和机身复合材料结构的载荷监测与损伤检测，航天器在轨状态评估；-土木工程：桥梁、隧道、大坝、高层建筑等重大基础设施的结构健康监测；-能源领域：油气管道泄漏监测、风力发电机组叶片应变监测、核电站关键部件状态评估；-智能制造：精密制造过程中的材料应变控制、工业机器人关节应力监测。7结论与展望7.1结论IEC61757-1-4:2025《光纤传感器第1-4部分：应变测量基于瑞利散射的分布式传感》的正式发布，标志着基于瑞利散射的分布式光纤应变传感技术进入了规范化、标准化发展的新阶段。该标准在IEC61757系列框架下，系统规定了该技术路线的术语体系、性能指标体系、测试方法和报告要求，填补了国际标准在该领域的重要空白。该标准的实施将有效促进分布式光纤应变传感技术的健康有序发展，推动技术创新与产业应用之间的良性循环，为各行业用户选择和部署该类系统提供权威的技术依据和验收准则。7.2展望展望未来，基于瑞利散射的分布式传感标准化工作可在以下方向持续深化：-动态应变测量标准：针对Φ-OTDR等动态应变测量系统，进一步制定涵盖频响特性、动态范围等指标的专项标准；-多参量融合传感标准：推进应变-温度-振动等多参量同步测量的标准化框架建设；-智能传感网络标准：面向物联网和数字孪生应用场景，制定分布式光纤传感网络的数据接口和互操作标准。可以预见，随着标准体系的持续完善，基于瑞利散射的分布式光纤应变传感技术将在全球基础设施智能化进程中发挥更加重要的作用，为构建安全、高效、智能的现代工程体系提供坚实的技术支撑。参考文献[1]IEC61757-1-4:2025,Fibreopticsensors-Part1-4:Strainmeasurement-DistributedsensingbasedonRayleighscattering[S].Geneva:InternationalElectrotechnicalCommission,2025.[2]IEC61757-1-1,Fibreopticsensors-Part1-1:Strainmeasurement-StrainsensorsbasedonfibreBragggratings[S].Geneva:InternationalElectrotechnicalCommission.[3]IEC61757-1-2,Fibreopticsensors-Part1-2:Strainmeasurement-DistributedsensingbasedonBrillo