分布式光纤传感技术在近二三十年得到了快速发展，目前已经可以实现分布式长距离测量，并且它具有体积小、重量轻、不受电磁干扰、耐腐蚀等优良性能，因此受到广泛关注。分布式光纤传感技术在大型结构健康检测、航空航天、环境能源等众多领域均有非常广阔的应用前景。
当前，在光纤通信系统容量紧张的形势下，基于多芯光纤（Multicore fiber, MCF）的空分复用技术成为了研究热点，它被视为提高光纤通信系统传输容量的最有效的解决方案之一。MCF包含多个空间通道，具有结构紧凑、芯体尺寸小等独特性能。首先，空分复用混合传感系统能够实现多参量传感，从而提高传感性能。其次，MCF的偏心纤芯具有弯曲敏感特性，可用于测量普通单模光纤无法实现的新物理参量。再者，利用MCF的空间分集信道优势，可以解决传统单模光纤系统存在的一些难点痛点问题。因此，基于MCF的空分复用混合传感系统被证明是一种非常有前景的传感技术。
华中科技大学唐明教授团队综述了基于MCF的分布式光纤传感器的研究进展。文章首先介绍了MCF的种类及多路复用器/解复用器的制备方案。在此基础上，详细讨论了基于MCF的分布式传感技术，包括：
（1）MCF偏心纤芯的弯曲敏感特性形成机理；
（2）基于MCF的离散及连续光纤光栅阵列的三维形状传感技术，比如原理探究、传感性能分析、误差来源分析、螺旋形MCF的设计等；
（3）基于MCF的布里渊散射分布式曲率及形状传感技术；
（4）基于MCF空分复用的多参量传感技术及其增强传感性能方面的应用。最后，总结了该领域存在的限制与挑战并探讨了其发展前景。
MCF具有灵活的纤芯数目及空间分布方式，目前使用最广泛的是七芯光纤，它的外部有六个芯排列成六边形。根据材料组成及结构等，可将MCF从不同角度进行分类： 根据纤芯是否具有相同的折射率分布，可分为同质MCF和异质MCF。 根据耦合强弱可分为弱耦合MCF和强耦合MCF两类。为降低芯间串扰，研究者们提出了沟道辅助包层和气孔辅助包层等结构设计。 MCF的每个纤芯既可以支持单模传输（SM-MCF），也可以支持少模传输（FM-MCF）。 基于空分复用技术的MCF系统中，多路复用器与解复用器光学元件至关重要，它将多路单模光纤中的信号复用进多芯光纤，并将多芯光纤中的多路并行信号解复用到多路单模光纤中。到目前为止，已提出透镜耦合、波导耦合，以及蚀刻或锥形光纤束耦合等方法来制备多路复用器与解复用器。其中光纤束耦合法具有坚固、结构紧凑等优点，应用较为广泛。研究人员采用化学蚀刻的方法，制作了七芯光纤扇入/扇出耦合器的SMFs束[1-2]。
图1 (a) 七芯光纤的横截面示意图；(b) 7-SMF束的侧视图；(c) 封装的MCF扇入/扇出耦合器
近年来，基于MCF的分布式光纤传感技术（特别是三维形状传感），越发受到关注。MCF具有偏心纤芯对弯曲敏感的特性，并且实现了MCF不同纤芯间的差异应变参数化重构其形状。此外，MCFs还被应用于新兴的空分复用分布式光纤传感，通过空分复用系统同时使用两种传感技术或测量MCF的两个异质纤芯来实现多参量传感或增强传感性能。该综述从以下从五个方面具体介绍了这部分内容。 偏心纤芯弯曲引起的切向应变 MCF的偏心纤芯具有对弯曲敏感的特性，这是SMF所不具备的。其弯曲敏感机理为：经受弯曲的MCF中，偏离中心位置的纤芯将被拉伸或压缩，在弯曲点产生局部切向应变，其在特定纤芯处产生的应变与角位置有关。偏心纤芯弯曲引起的切向应变通常可以通过光纤光栅、干涉仪或布里渊分布式传感等方法来检测。 基于MCF中离散及连续光纤光栅阵列的三维形状传感技术 不同纤芯间的差异应变可用于参数化重构三维空间中的光纤形状。该方法首先利用同轴的光纤光栅阵列传感器在MCF中测量弯曲应变，然后利用得到的分布曲率和弯曲方向参数来重构光纤的形状。这当中使用光频域反射仪（OFDR）读取光纤光栅阵列，因为它具有超高空间分辨率的距离分辨能力。 离散光纤光栅阵列可以提供1 cm的两点间应变空间分辨率，但某些情况下仍不足以实现高精度的形状重建。基于本征瑞利散射的OFDR应变测量能够提高形状重建的精度。但这种方法的信噪比(SNR)不如光纤光栅应变测量。为了提高形状传感性能，最近提出了一种在所有纤芯中都具有连续的弱光纤光栅的螺旋形MCF。独特的螺旋形MCF可以推导出局部的“形状变量”——弯曲、扭曲及温度，这将有助于实现更精确的形状传感。 基于MCF的布里渊散射分布式曲率及形状传感技术 布里渊频移（BFS）受应变影响，可通过公式计算不同纤芯中BFSs的弯曲诱导应变，进而实现分布曲率及形状传感。基于FBGs的MCF形状传感具有超高的空间分辨率，但已报道的传感范围通常很短。相比之下，基于布里渊分布的MCF形状传感技术可实现更大的传感范围，并且无需像写入光纤光栅那样的特殊处理。但它的空间分辨率很差，且难以进行实时的形状重建。 基于MCF空分复用的多参量传感技术 基于MCF空分复用的混合传感系统，与基于SMFs的同类型混合传感系统相比，解决了泵浦功率不一致的限制问题，从而实现多参量传感。 基于MCF空分复用的混合传感系统，与基于SMFs的同类型混合传感系统相比，解决了泵浦功率不一致的限制问题，从而实现多参量传感。此外，MCF保证了两路传感信号的位置一致性，可避免两根离散SMF因长度失配而引起的解调错误。 基于MCF的布里渊（BOTDR）和拉曼光时域反射（ROTDR）混合传感系统（图2），可以实现温度及应力的可区分测量[3]。因为BOTDR同时对温度和应力敏感；而ROTDR仅对温度敏感，对应力不敏感，因此在MCF中使用这种混合系统可以区分测量应力和温度。此外，还可以使用异质MCF来分离布里渊分布式传感器中的应变和温度效应（图3）[4-8]。其外部的六个芯和中心芯属于异质芯[6]。
图2 基于MCF空分复用的ROTDR和BOTDR混合系统实验设置
图3 异质七芯光纤的横截面图
基于MCF的拉曼和相位敏感型光时域反射（ROTDR和φ-OTDR）混合传感系统，可以同时检测温度和振动。其中ROTDR用于监测温度变化，φ-OTDR用于实时振动检测。
利用MCF空分复用结构，提升分布式光纤传感器性能 MCF系统中多路复用的传感技术，可以提高分布式光纤传感器性能。唐明教授及其科研合作团队提出了一种基于MCF的空分复用方法[9]，即在MCF的不同纤芯中分别设置两个传感器，从而解决了基于SMF的混合系统信噪比差、处理数据复杂的问题。 为了同时实现高分辨率和大动态范围的测量，唐明教授研究团队提出并验证了一种基于MCF空分复用的φ-OTDR和布里渊光时域分析仪（BOTDA）混合传感系统[10]。该混合传感系统测量大温差和极小温差均有良好可行性，具有广阔的应用前景。 基于MCF的分布式光纤传感技术已发展为一种先进的光纤传感技术，但目前的技术仍然存在一些限制与挑战。通过空分复用技术实现分布式光纤传感的新思路，为实现多参数传感和性能增强的分布式传感等高级传感功能提供了新途径。当前，进一步改进MCF的制备工艺（如光纤包层尺寸、芯-芯间距等）及空分复用光学元件（如MCF多路复用器/解复用器等）的性能显得十分重要。此外，MCF在分布式多参量传感、弯曲灵敏度等方面的探索或有更多重要发现。综上，MCF有望在分布式光纤传感研究方面开辟出新领域。
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