本文發表于我國光學領域權威學術期刊《光學學報》，是2022年1月第42卷第1期封面文章，由我國光學傳感領域多位專家編寫，也是國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目的科研成果。 本文是目前為止，最新、最全面、最深入闡述我國光纖傳感技術的發展歷程、技術現狀及面臨的主要問題的綜述論文。全文23000+字，涉及光纖傳感技術的方方面面，推薦！ 《我國光纖傳感技術發展路線圖》論文原文（PDF）可在文底閱讀原文鏈接中國光學期刊網站下載，或在傳感器專家網公眾號對話框回復關鍵詞【資料下載】，在資源頁面找到對應資料下載即可。

摘要

四十多年來，我國光纖傳感技術在經濟發展和市場需求的牽引下快速成長。針對我國光纖傳感若干典型的細分技術領域，概括性地給出了各個細分技術的發展歷程、技術現狀及面臨的主要問題，使讀者能更好地理解我國光纖傳感技術發展的樣貌，把握我國光纖傳感技術市場需求呈指數型增長的發展趨勢。

1 引言

光纖傳感技術經過四十多年的學術研究與技術發展,在近幾年形成了加速發展的趨勢,其原因主要有2個:1)光纖傳感技術已經在若干實際場景中獲得了大量應用;2)微納技術、材料技術及生物技術的發展和應用也為光纖傳感技術提供了許多交叉感測的新方法。我國經濟的快速發展不僅為光纖傳感技術的實際應用提供了廣闊的市場，同時也助推了這一領域基礎研究的繁榮與進步。光纖傳感技術在我國電力、石油、化工、建筑、交通、醫療、環保及軍事等領域有著廣泛的應用，并且取得了顯著的進展,同時學術界和產業界之間的結合日益緊密，光纖傳感原理和應用也不斷推陳出新。正如未來學家Ray Kurzweil所預言的那樣，所有信息技術的發展迅猛。光纖傳感技術與產業的市場需求也按照這種指數規律增長。

鑒于此, 本文從細分技術發展的角度, 邀請了若干具有代表性的企業和研究機構的專家，分別給出了簡明扼要的綜述，以期給出一個對細分技術發展情況的理解；綜述的光纖傳感技術包括特種光纖及器件、光纖光柵傳感技術、光纖陀螺技術、光纖水聽器技術、布里淵光纖傳感技術、相位敏感型光時域反射(Φ-OTDR)技術和光頻域反射(OFDR)光纖傳感技術。從典型應用領域綜述了光纖傳感技術,包括光纖氣體傳感技術、光纖三維形狀傳感技術、煤礦光纖傳感技術、油氣光纖傳感技術和海洋勘探光纖傳感技術。最后對我國光纖傳感技術的發展愿景給出了簡要的說明,指出了我國光纖傳感產業發展正處于滿足廣義摩爾定律的指數型技術發展期，同時又處于產量效益萊特定律的二律交疊復合加速發展期。通過上述技術發展趨勢與市場需求規律的分析,旨在說明我國光纖傳感技術的發展歷程和目前所處的現狀與趨勢,助推我國光纖傳感技術向著更快、更好的方向發展。

2 光纖傳感若干關鍵技術的現狀及其發展路徑

為了從各個細分技術領域更好地理解光纖傳感相關技術的發展概況,本節邀請了我國工作在光纖傳感行業中各個領域的專家(他們來自若干個代表性企業和若干所代表性高校)分別就所熟悉的傳感技術領域和專題,給出了各個專題概況和技術發展脈絡,采用圖表結合的簡明形式說明主要需求現狀,給出近幾年本技術進步的里程碑和具有挑戰性的問題與難點。

2.1 特種光纖及器件

近年來,特種光纖及其傳感器件的快速發展,有力地推動了光纖傳感技術水平邁上新臺階。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體,用光纖作為敏感信息的傳遞媒質，與傳統的各類傳感器相比,具有一系列獨特的優點,如電絕緣性能好、抗電磁干擾能力強、非侵入、高靈敏度、形狀可繞曲、耐腐蝕、防爆、容易實現對被測信號的遠距離監控等。隨著物聯網的興起和5G技術的大規模商用化，應用于傳感系統的特種光纖及器件也將迎來蓬勃的發展。

2.1.1 工作原理

1) 抗彎曲光纖

該光纖彎曲損耗低、機械強度高,適合小尺寸振動環繞制,在光纖水聽器上有重要應用。光纖水聽器基于光纖邁克耳孫干涉儀的傳感原理，即外界聲信號引起光纖形變，改變光信號經傳感光纖傳輸的光相移，并經干涉儀調制成為光強度交變信號。利用配套的光相位解調儀,提取光纖水聽器拾取的聲信號,利用相關軟件展示波形、電壓等參數。

2) 保偏光纖

該光纖可產生強雙折射效應、可以保持某一方向線偏振的入射光束的偏振態。在以光學相干檢測為基礎的干涉型光纖傳感器中,使用保偏光纖能夠保證線偏振方向不變，提高相干信噪比,以實現對物理量的高精度測量。例如:在光纖陀螺的應用中，基于光纖環Sagnac效應,當光纖環在敏感軸上發生轉動時，兩束光產生相位差并在Y波導處發生干涉，經過耦合器之后到達探測器，經PIN-FET接收組件解調出光纖環的旋轉角速度。

3) 耐高溫光纖

該光纖采用特種耐高溫聚酰亞胺涂料涂敷,耐受溫度達300 ℃。其主要用于分布式光纖測溫系統，該系統基于后向拉曼(Raman)散射原理和光時域反射(OTDR)定位原理，并利用了光纖拉曼散射強度隨溫度變化的特性。

4) 抗輻射光纖

通過材料和波導的優化設計，抗輻射光纖可減小材料輻致衰減，滿足輻照環境下的傳感需求，通常應用于分布式光纖測溫系統。

5) 旋轉光纖

該光纖具有圓偏振保持能力及抗環境干擾能力。旋轉光纖采用高雙折射光纖預制棒,在拉絲的過程中進行高速旋轉。這種特殊工藝制造的旋轉光纖的兩個本征模式是橢圓偏振的,其內部固有的雙折射能夠有效地抵抗外界條件(如溫度、彎曲、振動等)導致的雙折射，從而有效地保持圓偏振光特性。旋轉光纖具有極為突出的抗環境干擾能力，在溫度波動和振動條件下都能夠確保極高的工作精度,顯現出比低雙折射光纖更大的優勢，主要應用于基于法拉第磁光效應的光纖電流互感器。

6) 瑞利散射增強光纖

瑞利散射增強光纖通過摻雜及濃度控制提高光纖的瑞利散射,主要用于基于瑞利散射的分布式傳感系統中。例如:對于Φ-OTDR傳感系統,光脈沖傳播到受外界振動信號作用的光纖段時，以瑞利散射方式回到探測器的光信號也會產生變化，通過檢測散射光信號的變化就可以檢測出測量區域的振動情況，同時通過模式識別算法可以準確判斷出多種不同的入侵和破壞方式，并能同時實現多點入侵監測和精確定位。

2.1.2 技術發展

光纖應用于傳感領域也經歷了一系列的技術變革，為滿足不同的應用環境，特種傳感光纖技術的發展也從更小尺寸的集成化向更適用于惡劣環境的技術方向發展，光纖傳感實用化也取得了長足的進步。

1) 抗彎光纖主要應用于光纖水聽器，單個水聽器很難獲得目標的詳細信息，因此需要布放成百上千個探測基元組成大的探測陣列，通過水聽器陣列實現聲場信號的波束形成,進而實現對水下目標的定位與指向。對于大規模的布放,要求探測陣列及傳輸光纜體積小、重量輕、易于收放。因此要求作為水聽器用的傳感光纖的幾何尺寸小型化，能耐受更小的彎曲半徑，且具有更低的彎曲損耗。抗彎光纖也經歷了幾何尺寸逐步減小、宏彎損耗逐步降低、彎曲機械可靠性逐步提高的發展歷程，其極限彎曲半徑已經達到了5 mm，最大宏觀彎曲損耗小于0.01 dB/turn。

2) 保偏光纖主要應用于光纖陀螺，目前對于光纖陀螺應用領域,脫骨架小型化、高精度是發展趨勢，保偏光纖也經歷了更小幾何尺寸、更小可彎曲直徑、更穩定的全溫性能等發展歷程,光纖尺寸從125/250 μm(表示包層、纖芯直徑分別為250 μm和125 μm)、80/170 μm,80/135 μm,發展到60/100 μm，現階段纖芯直徑已開始向40 μm的尺寸發展。

3) 耐高溫光纖主要用于光纖分布式測溫系統，應用于一些火災監測、管道泄漏檢測等特殊環境，因而對光纖的耐溫性能有較高要求。普通的單模光纖或多模光纖多使用丙烯酸環氧樹脂作為涂覆層，在長期處于85 ℃以上的環境中時涂覆材料老化失效會導致光纖失去保護，進而引起損耗增加、甚至通信中斷等問題。通過改用耐高溫特種涂料及優化制備工藝，目前使用聚酰亞胺作為涂覆層的耐高溫光纖可在300 ℃的環境中長期使用。

4) 抗輻射光纖主要用于太空或核電等輻照環境的通信及傳感。光纖中摻雜的稀土元素在受到太空中高能粒子的輻照時,會引起輻致暗化效應,從而造成光纖損耗的急劇增加,因此需要研制適用于輻照環境的特種光纖。現階段的抗輻射光纖主要從摻雜材料優化、光纖預處理、后處理工藝等多個方向不斷地降低輻致衰減指標。

5) 旋轉光纖主要應用于電流互感器系統,基于磁光效應的傳感光纖是全光纖電流互感器的核心材料,也是影響互感器測量精度及可靠性的重要因素之一。目前比較成熟的旋轉光纖是通過在拉絲過程中旋轉預制棒制備而成。通過對扭轉速率的優化設計,可以很大程度地消除光纖彎曲造成的線性雙折射的影響,且旋轉光纖的機械強度較高,工藝一致性穩定,極大地提高了產品的穩定性,已應用于電力、冶金等領域。

2.1.3 需求現狀

與通信不同,光纖傳感應用往往伴隨了一些特殊的應用環境。隨著我國各個行業的發展,物理感知層的傳感需求也隨之而來,例如:光纖陀螺、光纖水聽器、光纖電流互感器等對保偏光纖及其器件的需求,核電站及空間探測領域對抗輻射光纖及器件的需求等，這些需求不僅對傳感光纖的性能提高起到了促進作用,也對市場產生了強勁的拉動作用。

2.1.4 挑戰性的問題與難點

在特種光纖應用環境中,不同的應用方向對光纖的要求各不相同,實現更高技術水平對光纖的各項指標也提出了獨特的技術要求。

特種光纖在傳感領域的應用已經相當廣泛，并且在大部分領域均有不可替代的作用,如抗彎光纖在小型化水聽器中的應用、細徑保偏光纖在高精度陀螺中的應用等,隨著傳感技術的更新,實際應用對各種特種光纖的指標也提出了新的要求。

光纖是光纖傳感技術的載體,隨著未來新光纖傳感技術的出現以及現有傳感技術的升級換代,必將產生新的光纖類型以及更高技術要求的各類傳感光纖。

2.2 光纖布拉格光柵傳感技術

光纖布拉格光柵(FBG)是業界公認的種類最多、商用化程度最高、應用領域最廣泛的一類光纖傳感技術。同其他光纖傳感技術相比,FBG的傳感信號強、精度高、響應快,不受光源波動和鏈路損耗變化的影響,抗干擾能力強;通過合理地設計與封裝,單個傳感器可達到很強的環境耐受能力,同時具有組網復用方式靈活多樣的特點。利用光纖光柵作為傳感單元,人們發展了眾多類型的FBG傳感器,FBG傳感器能夠檢測溫度、應力、應變、位移、加速度等諸多參量信息，廣泛應用于土木工程等領域,具體的應用有橋梁、隧道、邊坡、大壩等大型建筑的結構健康與安全監測,石油天然氣的油藏監測、井下溫度/壓力傳感、管道完整性監測,火電、水電、風電、核電等領域大型電力設施的運行狀態監測,大型石油儲罐、長交通隧道的快速高精度火災探測,航空航天結構與材料疲勞特性監測,以及高速公路、高速鐵路/地鐵、機場道面的智能監測等。

2.2.1 工作原理

FBG的原理是在光纖纖芯形成微納周期結構,其利用光纖纖芯材料的光敏特性,通過紫外曝光方法,在纖芯中產生周期性的折射率分布,進而形成一個特定波長的窄帶反射濾波器。因此,FBG傳感解調的最基本工作原理就是:外界被測參量變化時,通過解調FBG傳感器引起反射波長變化,如圖1所示。

在圖1中波分復用(WDM)組網技術的基礎上,為了進一步增大FBG傳感網絡規模和傳感器復用數量,人們還相繼發展了其他多種復用技術,包括時分復用(TDM)技術、空分復用(SDM)技術,以及這些技術的混合復用技術等。

圖1 光纖光柵傳感的工作原理示意圖

2.2.2 技術發展

光纖的光敏特性早在1978年就被發現,但是直到20世紀90年代,在光纖通信領域和光纖傳感領域的一系列里程碑式的技術進步才使得FBG的商用化得到快速發展。

2.2.3 需求現狀

FBG陣列傳感是新一代光纖光柵傳感技術,其采用拉絲塔在線刻寫光纖光柵,利用波分和時分混合復用的方式對海量傳感信號進行解調,有機結合了傳統“分立式光纖光柵傳感”與“分布式光纖傳感”各自的優勢,是實現大容量、高精度、高密度、長距離、高可靠性光纖傳感網絡的最有效途徑。

近年來,中國在高速鐵路、城市軌道交通、高速公路、軍用/民用機場、石油天然氣管線、大型橋梁與水利設施等大型基礎設施的建設及其運營方面一直保持高速發展。這些大型基礎設施與重大工程的運行狀態監測與安全管理,成為當前急需考慮和解決的首要問題。

FBG陣列傳感作為一種可靈活配置的大規模、長距離、高精度、快響應、多參量、高可靠性的新一代光纖光柵傳感新技術,能夠為上述重大基礎設施的狀態監測與安全管理提供完整先進的解決方案,可及時掌握其在役狀態、健康狀況,對潛在的病害和突發的事件及時地進行預警和報警,以顯著提升實時監測能力與安全管理水平。

2.2.4 挑戰性的問題與難點

分立式FBG傳感器開始商用至今已有30多年的歷史,該項技術的關鍵器件已經全部實現國產化,并在眾多領域得到廣泛應用。其面臨的主要問題是:

1) 極端工作條件下,光纖光柵傳感器本身及其熔接組網的可靠性較低,例如油氣井下耐高溫高壓以及抗氫損的能力、核輻照環境下的耐受能力較弱等。

2) 分立式光纖光柵傳感器種類繁多、適用場景廣泛,目前仍缺少統一的工業標準,極大限制了其發展應用。

FBG陣列傳感技術自2003年提出至今已接近20年。目前國際上三家機構的相關工作最具代表性:國外的德國萊布尼茨光子技術研究所(IPHT)、比利時FBGS公司,以及國內的武漢理工大學光纖傳感技術國家工程實驗室姜德生院士團隊(實現了單根光纖幾十萬個光纖光柵陣列的工業化生產,其已在交通、電力、石化等領域實現大規模應用,為多個行業的智能化發展提供了新的傳感手段和方法),其面臨的主要問題是:

1) 面向諸多實際應用場景的光纖光柵陣列傳感光纜的成纜關鍵技術、規模化生產工藝與工程安裝規范;

2) 結合實際應用場景需要的光纖光柵陣列海量傳感大數據的實時采集、存儲、處理以及人工智能模式識別;

3) 面向大型基礎設施結構健康監測和重點行業領域安全監測的基礎數據庫/樣本庫建設、專家系統與智能化功能平臺開發。

2.3 光纖陀螺技術

光纖陀螺自1976年被提出以來,已有45年的發展歷史。盡管相關的理論和技術已達到很高的成熟度,但光纖陀螺作為一種能實現大量程且極小相位可靠測量的“神奇”干涉型光纖傳感器[22-23],依然是光纖傳感和慣性技術領域的研究熱點。現階段的研究焦點集中在提高精度、降低噪聲和抑制成本等方面。光纖陀螺是一種基于Sagnac效應的光纖旋轉傳感器,是光纖和光波器件組成的全固態結構,無運動部件,重量輕,可靠性高,配置靈活,通過優化設計可實現高精度、低成本,是目前慣性技術領域的主流陀螺儀表。進入工程應用的光纖陀螺有開環和閉環干涉型兩種,其中閉環干涉型光纖陀螺的精度高、測量范圍大,為目前主流的光纖陀螺方案。諧振型光纖陀螺的光纖諧振腔短,具有激光陀螺的可靠性高、精度高、易于維護、壽命長的特點,具有重要的應用潛力,為目前光纖陀螺技術領域的主要研究方向之一。光纖陀螺在國防、航空航天、天體運動觀測、無人載體(機器人、無人機等)以及其他自主智能系統等領域具有廣泛的應用。

2.3.1 工作原理

Sagnac效應原理如圖2所示,如箭頭所指,輸入光源O的反射光R和透射光T沿相同的路徑傳輸,形成兩個閉合光路,并在分光面J發生干涉。當環形干涉儀沿與面法線平行的軸旋轉時,順、逆時針的光波間將產生一個正比于旋轉速度的相位差，F為水平狹縫,M1~M4為偏轉鏡，P、P’為探測器。相位差的大小正比于旋轉角速度,而且比例系數由光路包圍面積和光頻率決定。干涉型光纖陀螺是通過采用長光纖繞制光纖環而成,從而形成足夠大的等效面積,增大Sagnac效應比例系數,實現旋轉量的測量。閉環干涉型光纖陀螺的基本結構如圖3所示,在調制器上施加變臺階高度的數字臺階波以產生反饋相位、通過方波調制開環檢測實現閉環控制,其線性度好、精度高。對于諧振型光纖陀螺,可用很短的光纖形成光纖諧振環腔,基于環腔內光的諧振特性實現比例系數增大,其基本原理如圖4所示。通過測量在光纖諧振腔內順、逆時針諧振光頻率的差Δf實現輸入角速度的測量。

圖 2.Sagnac效應原理示意圖

圖 3.閉環光纖陀螺示意圖

圖 4.諧振光纖陀螺示意圖

2.3.2 技術發展

經過45年的發展,干涉型開環和閉環光纖陀螺結構和方案已經定型,已進入大量工程應用階段,但在實際的應用中還存在噪聲和溫度誤差偏大的問題。諧振型光纖陀螺與干涉型光纖陀螺的發展歷史基本一樣。近年來,研究人員將空芯光纖用于光纖諧振環,為諧振型光纖陀螺的發展創造了條件,使其成為一個比較活躍的研究領域。光纖陀螺技術的研發過程堪稱為一種典型的新技術研發范例。

第一個10年(1976—1986年)為光纖陀螺的迅速發展時期,研究人員在這個期間有很大研究進展:在原理方案方面,提出了干涉型開環和閉環方案,有源、無源和集成諧振陀螺等;在理論和技術方面,揭示了光路互易性、Shupe效應和Faraday效應引入誤差的機理,發明了對稱繞環技術等;在關鍵光學器件方面,研發了保偏光纖、超輻射發光二極管(SLD)光源、集成光學調制器等。

第二個10年(1987—1996年)大功率、光譜穩定的摻鉺光纖光源被提出,強度噪聲相關理論和抑制技術得到充分的研究,這支撐了高精度光纖陀螺的發展,干涉型光纖陀螺的精度達到0.0003 (°)/h,光纖陀螺開始進入實際應用。近年來,光纖陀螺技術研究主要集中在噪聲、溫度誤差抑制和新方案、新應用等方面。

2.3.3 需求現狀

光纖陀螺具有全固態、重量輕等獨特的特點,目前是慣性技術領域各類系統的首選,在中低精度應用中具有重要作用。隨著技術、器件和工藝的成熟,以及應用領域的不斷拓展,市場對中精度光纖陀螺的需求逐年上升;理論和實驗研究表明,光纖陀螺能夠滿足水下艦艇、戰略武器裝備和行星地震學等的需求,這些領域對高精度光纖陀螺的需求日益增加。相對其他類型的陀螺技術,光纖陀螺更適合大批量生產，具備低成本的潛力。只要在成本和批量上實現突破,低成本光纖陀螺將成為各類民用系統,如無人機、無人運輸工具、無人駕駛、機器人,及其他自主智能系統的首選,市場需求巨大。

2.3.4 挑戰性的問題與難點

光纖陀螺技術已達到較高的成熟度,目前該項技術的關鍵器件已經能夠全部實現國產化。系列化的光纖陀螺產品已在海、陸、空、天等領域大量使用,并形成了配套的產業群和較大的市場規模。但面向超高精度慣性系統和大規模低成本應用需求,需要突破的主要問題如下：

1) 面向長航時高精度慣性導航和高靈敏度、低噪聲行星地震學六分量地震長期觀測需求,高精度光纖陀螺的性能指標還有較大差距。

2) 由溫度及其變化引入的漂移和噪聲是影響光纖陀螺現場應用性能的主要因素,已有的技術效果有限,期待實用有效的方案和技術。

3) 諧振型光纖陀螺具有獨特的優勢,具有很大的應用潛力,目前尚處于原理樣機研究階段,未形成實用的方案和技術。

4) 為控制光纖陀螺的制作成本、提高生產效率,關鍵工藝、裝備和關鍵參數在線監測和控制等方面還存在一些不明確的問題需要揭示和解決。

5) 光纖陀螺具有低成本、大批量生產的應用潛力,但尚缺合適的定型方案、低成本光纖材料、器件和相關的批產工藝。

2.4 光纖水聽器技術

光纖水聽器是一種以光纖為信息傳輸和傳感媒介的新型傳感器,它通過高靈敏度的光學相干檢測,可實現對水聲信號的高精度測量。自1977年美國海軍實驗室發表關于光纖水聽器的首篇論文后,各發達國家便積極開展了對光纖水聽器的研發。我國光纖水聽器研究雖然起步較晚,但自20世紀90年代以來,也陸續突破了從理論到應用的系列關鍵技術。相比于傳統水聽器,光纖水聽器具備靈敏度高、動態范圍大、抗電磁干擾、耐惡劣環境、結構靈巧、易于遠程傳輸和大規模成陣等優點,在水下目標探測、石油天然氣勘探、地震檢測等軍事和民用領域都具有重要應用。

2.4.1 工作原理

典型的干涉型光纖水聽器分為光纖聲壓水聽器和光纖矢量水聽器兩種,其基本結構均為光纖邁克耳孫干涉儀,如圖5所示。外界水聲信號作用于光纖干涉儀,引起光纖干涉儀兩臂長度和有效折射率的改變,導致兩臂中傳輸的光相位被調制,兩束被調制的光經法拉第旋鏡反射后返回耦合器并發生干涉,相位信號被轉化為光強信號。利用光電探測器對光強信號進行探測,再利用相位檢測方法解調并還原出外界水聲信號。

光纖聲壓水聽器由內外兩個圓筒形支撐剛體構成,光纖邁克耳孫干涉儀的兩臂分別密繞在內外支撐剛體上,用于探測外界聲壓信號;三維光纖矢量水聽器由耐壓外殼、質量塊以及x、y、z三個方向上的三對彈性柱體構成,三組光纖邁克耳孫干涉儀的兩臂分別密繞在這三對彈性柱體上,用于感受外界聲壓引起的三個方向上的加速度信號。

單光纖分布式水聽器是一種僅由一根光纖組成的新型光纖水聽器,利用分布式光纖聲波傳感技術探測水下聲信號,具備高可靠性的特點和在空間連續拾取水下聲信號的能力。圖6給出了光纖水聽器的聲壓探頭、矢量探頭和聲壓陣列的實物圖片。

圖 5.光纖水聽器結構和原理示意圖

圖 6.光纖水聽器探頭和陣列實物圖。

(a)光纖聲壓水聽器;(b)光纖矢量水聽器;(c)光纖水聽器陣列

2.4.2 技術發展

我國光纖水聽器技術自提出至今已超過20年。自20世紀90年代末期,國防科技大學在關鍵光纖器件與光纖水聽器系統關鍵技術方面取得突破,并于2000年進行了國內首次光纖水聽器海試以來,國內多家單位對光纖水聽器技術進行了研究并取得一系列成果,目前光纖水聽器技術已經在多個領域實現了應用。

2.4.3 需求現狀

水聽器是實現水下目標探測與通信的主要設備,可分為壓電水聽器和光纖水聽器兩種。與傳統的壓電水聽器相比,光纖水聽器具有小體積、抗電磁干擾、易于遠程傳輸和通過復用構成大規模陣列等特點;光纖矢量水聽器可以通過聲壓和振速的線性組合得到心形指向性,可獲得4.8 dB~6 dB的空間增益,具有大空間增益、單次消除左右舷模糊以及指向性與頻率無關的特性,使用單條光纖矢量水聽器垂直陣列可以實現目標的距離、深度和方位角的三維定位,所以光纖聲壓和矢量水聽器在水下目標探測、石油天然氣勘探、地震監測等軍事與民用領域都具有重要的應用前景。在水下目標探測方面,遠程傳輸的大規模岸基陣、裝載在艦船及無人潛航器上的輕型拖曳陣、垂直矢量潛標陣等多種形式的光纖水聽器陣列都得到了發展;在石油天然氣勘探方面,大規模拖曳與岸基陣在實踐中得到了檢驗;在地震監測方面,光纖矢量地震儀獲得了與傳統地震儀相當的傳感性能,基于現有光纜的單光纖分布式光纖聲/振動傳感技術也在石油勘探和地震監測領域取得了突破性進展。

2.4.4 挑戰性的問題與難點

我國光纖水聽器技術經過二十多年的發展,克服了從基礎理論到實際應用的一系列難題,已經在若干領域進入了應用階段,但在以下方面仍面臨著巨大挑戰。

1) 光纖水聽器的應用朝著深海領域拓展,如何在深海高靜水壓的惡劣條件下實現光纖水聽器的高靈敏度和低本底噪聲是需要重點考慮的問題。

2) 光纖水聽器朝著遠程化方向發展,模擬光中繼放大技術的使用有效增加了光纖傳輸距離,但其所能容納的光纖對數有限,長距離光纖傳輸還引入了嚴重的非線性效應,使光纖水聽器系統的復用規模和傳輸距離受到很大限制。

3) 水下目標噪聲集中于100 Hz以下的頻段,而光纖水聽器陣列系統本底的1/f噪聲使得低頻噪聲較大,同時海洋背景噪聲也主要分布于該頻段,如何在較大的海洋噪聲背景下實現光纖水聽器對水下目標的有效探測是目前的技術難點。

4) 單光纖分布式光纖水聽器相比于分立式干涉型光纖水聽器,大大簡化濕端結構、提高了可靠性,但噪聲抑制能力及水聲信號檢測穩定性需進一步提高,以拓展其在水下目標探測和石油勘探中的應用。

2.5 分布式布里淵光纖傳感技術

分布式布里淵光纖傳感可以實現溫度和應變等參數在空間上的連續測量,監測距離可達百公里,監測點位可達百萬個,在大范圍、長距離和大容量傳感方面具有傳統點式傳感器不可比擬的優勢;經過多年的發展,分布式布里淵光纖傳感在油氣管道、高壓輸電線和橋梁等大型基礎設施的健康監測,以及山體滑坡和路面沉降等地質災害的監測預警等領域獲得了廣泛的應用,如圖7所示。

經過多年的發展,基于后向受激布里淵散射的傳統分布式光纖傳感器性能得到了大幅提升,空間分辨率已經從米量級提升至厘米(時域)和毫米(相關域)量級,測量時間已經從分鐘量級降低到毫秒甚至微秒量級,測量距離已經超過100 km。此外,基于布里淵動態光柵和前向受激布里淵散射的新型分布式傳感機制在近幾年得到了極大關注。布里淵動態光柵傳感可以實現更多參量(包括溫度、應變、鹽度、靜壓力和橫向壓力等) 的測量;前向受激布里淵散射可以實現光纖外部環境物質鑒別。

圖 7.分布式布里淵光纖傳感用于基礎設施監測示意圖

2.5.1 工作原理

后向受激布里淵散射在光纖中激發縱向聲波,將散射光和入射光之間的頻率差定義為布里淵頻移,該參數是光纖溫度和應變的函數,石英單模光纖的溫度和應變系數一般分別為1 MHz/℃和0.0482 MHz/με,因此可以通過測量布里淵頻移來測量溫度和應變。布里淵動態光柵本質上是后向受激布里淵散射激發的縱向聲波在彈光效應下產生的光柵,它可以測量保偏光纖雙折射,進而實現對直接改變光纖雙折射的溫度、應變和壓力等參數和可受光纖的特殊涂覆層(比如聚酰亞胺)影響的光纖雙折射的鹽度等參數的傳感功能。前向受激布里淵散射在光纖中激發橫向聲波,這種聲波以光纖包層為邊界,在光纖橫截面內往返振蕩,其衰減時間(或對應的譜寬)對環境物質的聲波阻抗敏感,因而可以用來對環境物質進行物化特性測量和種類鑒別,如圖8所示。

圖8.后向受激布里淵散射、布里淵動態光柵和前向受激布里淵散射原理示意圖。(a)后向布里淵散射、布里淵動態光柵;(b)前向受激布里淵散射

2.5.2 技術發展

基于后向受激布里淵散射的傳統分布式光纖傳感器主要朝以下三個方面發展:1)高空間分辨率、超快測量和超長距離;2)布里淵動態光柵傳感主要用于多參量測量;3)前向受激布里淵散射傳感技術方興未艾,探索分布式測量方案和提高傳感性能是目前主要的研究方向。

2.5.3 需求現狀

目前實際應用對分布式布里淵光纖傳感技術的需求包括:1)鐵路、電網和油氣管道等大尺度基礎設施監測需要長距離傳感;2)光纖陀螺環和光纖水聽器環檢測需要高空間分辨率;3)火災監測需要高空間分辨率溫度測量以實現火災早期預警;4)大型橋梁的實時在線監測需要快速測量和高應變靈敏度;5)山體滑坡、路面沉降等地質災害監測需要配合特殊的應變光纜設計和布設方法;6)核輻射環境下需要配合抗輻射光纖進行分布式溫度和應變測量;7)環境綜合監測需要更多的物理和化學量測量。

2.5.4 挑戰性的問題與難點

目前分布式布里淵光纖傳感技術在實際應用中面臨的挑戰性問題和難點包括:

1) 利用無中繼放大實現150~200 km測量距離對于鐵路、電網和油氣管道監測具有重要意義;

2) 融合布里淵散射、拉曼散射和瑞利散射實現更高性能和更豐富功能傳感以滿足一些特殊場合應用;

3) 進行多參量測量的同時消除各參量之間的串擾;

4) 前向受激布里淵散射中的泵浦光和斯托克斯光同向傳輸,因此無法直接利用飛行時間進行定位,這為實現分布式傳感帶來了挑戰;

5) 小型化、高可靠儀器是在多領域推廣應用的重要前提。

2.6Φ-OTDR/DAS光纖傳感技術

Ф-OTDR利用光纖中的相干后向瑞利散射光進行傳感,通過解調后向瑞利散射光的強度或相位信息,可實現高靈敏振動/聲波分布式探測。近年來,可定量還原外界振動/聲波信息的相位解調型Ф-OTDR技術[也稱為光纖分布式聲波傳感(DAS)技術]在研發與應用方面均取得了重大進展。該技術具有傳感容量大、感知距離遠、采集效率高、運行成本低、使用壽命長等突出優點,已成功應用于地震信號監測、油氣資源勘探、管線安全監測等領域。總體來看,目前Ф-OTDR/DAS技術正處于快速發展時期,有望在未來5年內達到巔峰,成為新一代的分布式聲波(振動)傳感技術,具有不可替代性。

2.6.1 工作原理

Φ-OTDR技術的工作原理為:外界擾動作用于傳感光纖時,會改變傳感光纖的折射率,使瑞利散射光產生相位調制,通過解調光纖中后向瑞利散射光脈沖信號的強度或相位信息即可進行分布式傳感。兩種常見的相位解調型Ф-OTDR系統的基本構成如圖9所示,相干脈沖光通過環形器注入傳感光纖后,產生的后向瑞利散射光返回至光纖前端,通過環形器被光電探測器接收,由解調單元解調還原外界應變變化量信息。強度解調型OTDR技術直接運用光電探測器進行強度探測,用于定位外界應變;相位解調型Φ-OTDR/DAS技術運用干涉儀解調或者相干解調方法,由于外界的應變變化量與干涉信號相位成正比,該方法可以定量還原外界應變變化量的大小、頻率和相位。圖10為電子科技大學與中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司聯合研制的超靈敏光纖分布式聲波傳感(uDAS)地震儀架構示意圖和實物照片[圖片由中油奧博(成都)科技有限公司提供]。

圖 9.常見DAS系統的結構示意圖

圖 10.uDAS地震儀架構示意圖及實物圖。(a)示意圖;(b)實物圖

2.6.2 技術發展

近年來,研究人員圍繞提高系統靈敏度、拓寬頻響范圍、延長傳感距離等方面,致力于Φ-OTDR/DAS技術的性能提升研究,并已成功將該技術應用于地震傳感、油氣勘探、管道監測、水聲探測等領域。其中,2014年是Φ-OTDR/DAS技術的發展爆發期。2019年,上述uDAS光纖分布式地震儀通過了中國石油集團組織的成果鑒定,整體達到國際領先水平,在數十個油田獲得規模化應用,所得成果入選中國石油“2019年十大科技進展”。

2.6.3 需求現狀

現有的點式光纖傳感技術僅能探測單點信號,傳感容量有限,實際應用場景有限且成本較高。相比而言,Φ-OTDR技術的空間分辨率更高,傳感容量更大,傳感距離更遠,采集時間更短,可實現真正的全分布式聲波或振動傳感,且使用壽命更長,可靠性更高,尤其是DAS技術可以定量還原外界振動/聲波信息,更適用于需要高靈敏、大容量、高效率傳感的油氣勘探、水聲探測、管線安全等應用場景。

在油氣資源勘探方面,相比于點式電子檢波器,DAS系統部署更簡易、采集效率高(可實現全井段地震信號一次性采集)、運行成本低,且更耐高溫、高壓,壽命長,已成為井中地震檢波升級換代的變革性技術,未來有望發展成為油氣井長期動態監測的利器(油井CT);在海洋水聲信號監測方面,DAS系統可實現大容量分布式水聲信號探測,在性價比、輕量化、長距離、一致性、可靠性等方面具有突出優勢,可望取代點式光纖水聽器成為新一代光纖水聽系統;在管線安全監測方面,結合分布式光放大技術,DAS可望實現超長距離無中繼傳感,適用于城市隧道、油氣管道、輸電線路、列車鐵軌、高速公路等遠程安全監測。

2.6.4 挑戰性的問題與難點

Φ-OTDR/DAS技術自1993年被提出以來得到了大量關注,目前已被廣泛應用。然而該技術仍存在以下問題:

1)Φ-OTDR/DAS的靈敏度仍有待提升,實現fε/ Hz量級超高靈敏度的DAS系統具有很大難度和挑戰性。

2)Φ-OTDR/DAS目前僅能感知外界擾動,無法判斷其方向,實現三分量聲波分布式傳感是一個難點。

3)Φ-OTDR/DAS的傳感距離仍有待增加,實現低噪聲的分布式光放大以提升信噪比、增加傳感距離極具挑戰。

4)Φ-OTDR/DAS頻響范圍較小,將百米級距離頻響范圍拓展至超聲波段以實現無損探傷極具挑戰。

5)Φ-OTDR/DAS的檢測識別精度有待提升,改進復雜環境噪聲下弱信號的高精度檢測識別AI算法是一個難點。

2.7 OFDR光纖傳感技術

OFDR系統中采用線性掃頻的激光作為光源來實現相干檢測,將光纖中后向散射/反射光的位置信息映射為拍頻信號的頻率,因此空間分辨能力不受接收機帶寬和探測脈沖持續時間的限制,且OFDR具有較高的信噪比,尤其適用于空間分辨率在亞毫米至分米級的應用中。OFDR可用于光纖鏈路或者光波導器件的診斷、高密度光纖光柵陣列的解調,以及基于瑞利散射實現分布式溫度與應變檢測。

2.7.1 工作原理

OFDR的基本結構和工作原理如圖11所示。光源發出頻率隨時間線性變化的探測激光,探測激光經放大后注入待測光纖,在光纖中產生后向瑞利散射信號。后向瑞利散射是一種彈性散射,其頻率與入射光相同,因此也是線性掃頻光信號。后向瑞利散射光經光環行器后在耦合器上與本地光相遇,兩者之間的時間差正比于后向瑞利散射在光纖中的往返時間,而線性掃頻特性使得兩者干涉產生一個正比于時間差的拍頻信號。通過對探測器輸出的拍頻信號進行傅里葉變換,實現瑞利散射在光纖上的位置與拍頻頻率之間的映射。對于OFDR系統,其空間分辨率取決于光源的掃頻范圍,其探測距離主要取決于光源的掃頻非線性及相位噪聲。

圖 11.OFDR系統結構及其工作原理示意圖

2.7.2 技術發展

OFDR技術的發展包括硬件和信號處理兩個主要方向。硬件系統方面:主要朝著掃頻光源技術方向發展;信號處理方面:主要利用后處理方法補償掃頻激光的相位噪聲,以及通過分析后向瑞利散射特征實現分布式檢測。

2.7.3 需求現狀

光反射探測技術是分布式光聽器的基礎,OFDR技術相對于OTDR技術在空間分辨率與動態范圍方面具有明顯的優勢,是亞毫米到分米級分辨率的分布式傳感系統的主要實現方案,不僅適用于中短距光纖網絡和光器件的狀態監測,而且該技術結合光纖光柵光譜或瑞利后向散射信號的分析,可實現溫度、應變、振動、形狀等外界物理參量的檢測。此外,OFDR技術是高性能的激光雷達和光學相干層析(OCT)等技術的重要實現方法。

2.7.4 挑戰性的問題與難點

OFDR技術經過幾十年的發展,其基本原理已經得到了深入研究,并出現了一些商業產品。目前限制該技術推廣的主要瓶頸在于掃頻光源較難實現且信號技術處理較難優化。

1) 高性能OFDR技術需要大掃頻范圍與低相位噪聲的光源,目前只有機械調諧外腔二極管激光器才能同時實現100 nm級的掃頻范圍與100 kHz級瞬時線寬,而這種激光器的成本難以降低,使用壽命難以延長;

2) 基于穩頻激光和外調制方式的掃頻光源的波長調諧范圍比較小,高階邊帶調制、非線性效應擴頻等技術實現復雜,且調制范圍仍然很難超過幾個納米水平;

3) 基于電流直接調制的半導體激光器能夠以低成本實現數GHz至數十GHz的調諧范圍,但相位噪聲與掃頻非線性特性較差,需要研究其改進方案;

4) 實時相位噪聲補償算法及信號分析均需要大量的數據運算,算法的優化及專用處理電路的開發還需要加強。

3.若干典型領域中的光纖傳感技術的應用情況

為了對典型領域的應用有所把握,本節邀請了將光纖傳感技術、產品應用到氣體感測、三維形狀傳感、煤礦安全監測、油氣井下測量,以及海洋開發應用等領域的幾位專家,分別就所熟悉的應用領域,給出了有關光纖傳感技術應用的現狀。

3.1 光纖氣體傳感技術

激光光譜技術基于原子或分子“指紋”特征光譜進行探測,具有選擇性好、無需標記等優點。傳統的光譜學氣體傳感器由分立的光學元件構成,使用空間氣室作為傳感單元,其體積較大,對準比較困難。微納結構光纖柔性好,可實現光與氣體在光纖中的長距離相互作用并保持緊湊的氣室結構。微納結構光纖對光場的束縛強,模場尺寸小,能量密度高,和樣品重疊度高,可增強光與氣體的非線性作用,提高檢測靈敏度。使用微納光纖自身作為氣室傳感單元,簡化了光路之間的對準和鏈接,有助于推動光譜學測量技術向實用化方向發展,便于實現遠程探測。利用微納光纖本身的光學模式、聲學模式及熱傳導等特性,可以實現新型高靈敏的氣體傳感器。

3.1.1 工作原理

微納結構光纖光譜學氣體測量原理如圖12所示。光和氣體在纖芯內部或表面附近相互作用,改變了光的強度和相位,產生熱量、聲波或新的光波長等,通過探測這些變化可以得到氣體的種類和含量。對于在工作波段吸收較強的氣體,可以直接探測其光譜損耗或色散,或者可基于光熱、光聲效應測量氣體吸收泵浦光后引起的探測光的相位變化。對于吸收較弱或沒有吸收但具有拉曼活性的氣體,可以探測其拉曼光譜、受激拉曼增益或色散。傳感光纖可以是空芯光子帶隙光纖、空芯反諧振光纖或微納芯光纖。根據測量需要,工作波長可選擇紫外、可見光或紅外波段。

3.1.2 技術發展

首次應用微納結構光纖進行氣體測量的報道可以追溯到2001年。最早研究中用的是實芯微結構光纖,之后是空芯光纖[108-109]。二十年來,研究人員在光纖氣室的設計和制作、響應速度的提高、新型檢測方法、噪聲抑制、靈敏度的提高、動態范圍的增大、系統穩定性的提高及實用化方面取得了令人矚目的進展。表8給出了微納結構光纖氣體測量技術發展的簡要歷程。

圖 12.光纖氣體測量基本原理示意圖。(a)光與氣體在光纖內部相互作用;(b)光與氣體作用的物理過程;(c)可用于氣體測量的幾種微納結構光纖

3.1.3 需求現狀

航天、航海、能源、食品衛生、環境保護等領域的發展,對氣體探測的能力提出了愈來愈高的要求。在空間和海洋探索中,密封艙內工作人員的數量和工作時間不斷增加,人員新陳代謝、設備運行和材料釋放等因素使狹小空間內空氣質量變差。有效監測艙內空氣中的痕量氣體物質,對于維持健康的空氣環境,探測泄漏、過熱故障征兆等具有重要意義。在醫學領域,呼吸檢測是近年來研究的一個熱點。呼出氣體中包含的痕量氣體成分能反映人體特定的生理狀況,為一些重大疾病的早期無創診療提供了新的方法。在能源工業領域,高精度的氣體檢測在大型關鍵設備診斷、燃燒產物分析、煉化過程監測等方面有重要應用。目前常用的氣體檢測技術包括氣相色譜/質譜分析,電化學、光離子化探測等,在測量精度、動態范圍、氣體種類、成本、體積、在線或遠程測量等方面難以滿足日益增長的需求。

3.1.4 挑戰性的問題與難點

在實驗室條件下,微納結構光纖氣體傳感器已經實現了對多種氣體(如甲烷、乙烷、乙炔、氨氣、一氧化碳、二氧化碳等)的測量,靈敏度已達到10-6至10-12量級。面向不同領域的實際應用,需要解決如下主要問題:

1) 探頭技術。優化微納結構光纖的模式和偏振特性以提升氣室的光學穩定性,采用合適的防水、防污、防震包裝以適應不同的應用環境。

2) 光學解調技術。光學干涉相位檢測系統需具有高靈敏、大動態范圍、穩定、小型化和低成本的特點。

3) 光源技術。不同波段,尤其是紅外波段的低成本、可調諧、窄線寬激光器是高靈敏多組分氣體測量的關鍵器件。

3.2 光纖三維形狀傳感技術

近年來，基于光纖的形狀傳感方法受到了學術界和工業界的廣泛關注,并得到了國內外多個研究機構的深入研究,使得動態物體在沒有視覺接觸情況下的實時遠程三維形狀重建成為可能。光纖形狀傳感是一種分布式感測技術,它利用光纖局部應變產生的后向散射信號來探測光纖的彎曲和扭轉等信息,對這些信息進行處理以重構光纖的空間形變，從而能夠實時持續跟蹤動態物體(未知運動)的形狀和位置。該技術提供了一種有效的替代現有形狀傳感的方法,其優點是安裝方便、安全、尺寸小巧緊湊、具有靈活性、抗惡劣環境和腐蝕、不需要接近,僅靠感測數值及重構模型即可重建形狀。這些優勢使得其在醫療、能源、國防、航空航天、結構安全監測以及其他智能結構等領域具有廣泛的應用。

3.2.1 工作原理

光纖三維形狀傳感技術的工作原理如圖13所示。在多芯光纖的每個測量剖面中,通過同時測量不同纖芯的應變確定該位置的三維曲率。隨后針對各位置的曲率使用插值或曲線擬合的方法得到整根光纖的曲率函數,最后通過重構算法實現三維形狀還原。圖14給出了全部國產化的四芯光纖三維形狀傳感系統的幾個關鍵部件。

圖 13.多芯光纖三維形狀傳感原理示意圖

圖 14.基于四芯光纖的三維形狀傳感系統的關鍵部件(全部國產化)

3.2.2 技術發展

光纖三維形狀傳感技術的發展思路有兩個:一是采用多芯光纖;二是采用多根單芯光纖與柱狀結構物相結合的方式實現三維形狀傳感。本文主要基于第一種思路。

3.2.3 需求現狀

如果想要對一個動態的物體進行跟蹤,在缺乏視覺接觸的情況下,形狀感知就顯得特別關鍵。光纖形狀傳感器為傳統的形狀感知提供了一種非常有效的替代方法,它允許對形狀進行連續、動態、直接的跟蹤,而不需要視覺接觸。光纖傳感器具有結構緊湊、體積小、靈活性強、嵌入能力強等特點,可以很好地附著在被監測的物體上,同時保證了安裝的方便性和形狀跟蹤的有效性。

實際應用中,如輸油管線、橋梁結構等大尺度三維形狀傳感場景,適合將多根單芯光纖與待測物進行組合,并使用布里淵光時域反射技術監測其形狀變化;而對于中等尺度或小尺度應用場景,例如機器人、柔性醫用器械等,則適合采用多芯光纖陣列FBG解調技術或者分布式OFDR的曲率積分及形狀重構的方法,來實現較高精度的三維形狀感測。其中,該技術在醫療領域最具有發展潛力。

3.2.4 挑戰性的問題與難點

光纖三維形狀傳感技術經過近二十年的快速發展,目前該項技術涉及的關鍵器件已經能夠實現全部國產化,接近實際應用的水平。國內有多家單位相繼開展了有關研究,桂林電子科技大學所研制的基于多芯光纖光柵三維形狀傳感系統具有動態三維形狀感測能力,為工程化應用提供了各項關鍵技術,近年來逐步應用于若干領域,其面臨的主要問題是:

1) 目前使用的多芯光纖的纖芯間距較小,其精度相對于較大纖芯間距的光纖形狀傳感器還有一定差距。

2) 多芯光纖相關器件性能及技術的提升是多芯光纖形狀傳感技術進一步發展的關鍵,如低損耗多芯光纖扇入扇出器件,方便可靠的熔接技術,以及低損耗活動連接技術等。

3) 無論是基于多芯光纖光柵陣列的解調技術,還是基于多芯光纖OFDR的解調方案,三維重構算法都有待于進一步的改進。

4) 多芯光纖及其光器件還沒有統一的工業標準,不同器件兼容性較差,難以降低成本并推進工業化批量生產。

3.3 煤礦光纖傳感技術

我國的能源供給50%以上來自煤炭,并且我國煤炭的年生產量和消耗量約為40億t,約占全世界煤炭產能的45%。煤炭生產條件十分復雜,存在瓦斯爆炸、火災、水害、巷道變形、頂板坍塌、設備故障等隱患問題。光纖傳感器無需供電,對于煤礦井下易燃易爆氣體監測和長距離多點巷道圍巖變形、巖石應力等在線監測具有獨特優勢。

近二十年來,半導體激光甲烷傳感器的研發和煤礦應用工程化技術的研究較多,經歷了從實驗室原理驗證到工程樣機再到近10萬只光纖傳感器在一千余座煤礦的規模化應用。激光甲烷傳感器具有全量程、免標校、高選擇性、長期穩定可靠性等獨特優勢,已得到了煤礦行業的普遍認可,并逐步替代傳統催化燃燒式甲烷傳感器。此外,基于拉曼散射原理和多模光纖的光纖分布式溫度傳感器在煤礦采空區自然發火隱患在線監測及預警定位方面展現了獨特的作用,解決了采空區火災隱患電子傳感器存在檢測盲區的難題,該類傳感器經歷了從隔爆兼本安型到低功耗本安型礦用儀器的升級過程,現已在全國數百個煤礦中對采空區和膠帶運輸系統進行火災隱患監測預警方面得到了應用。基于激光/光纖的甲烷、CO等多種氣體傳感器,基于光纖光柵的溫度、位移、應變、壓力、風速等傳感器,以及光纖分布式溫度、應變、振動和氣體傳感器將在日益興起的智能礦山建設中擁有十分廣闊的發展空間。

3.3.1 礦用激光甲烷氣體及光纖傳感器工作原理

礦用激光甲烷氣體傳感器如圖15所示,該傳感器在半導體激光光譜分析的基礎上,結合煤礦井下本安電氣設計對低功耗的要求,以及各地煤礦不同溫度、不同海拔高度和礦井深度對測量的影響,創新地提出了無溫控激光光譜自適應分析技術、多譜線溫度壓力動態補償技術,以及防塵防潮技術。其原理如圖16所示,1650 nm波段的垂直腔面發射激光器(VCSEL)光源發出的光分成三路:一路直接被光電二極管檢測放大并作為光源功率參考信號V1;一路進入測量氣室后到達探測器,產生信號V2;一路經過參考氣室,該路信號為Vs。激光器在鋸齒波注入電流驅動下,其輸出光功率和波長都被電流調制。VCSEL波長對溫度和電流的典型調制系數分別為100 pm/℃和0.45 nm/mA。甲烷在1642.91 nm與1653.72 nm之間存在多個吸收峰,相鄰吸收峰的間距約為2.75 nm。根據參考氣室甲烷氣體吸收峰位置,被測氣室的光譜吸收信號經光源的歸一化處理,轉化成被測氣體濃度。嵌入在被測氣室內的半導體溫度、壓力傳感器生成的信號由微處理器讀取并實時修正,以消除環境溫度、壓力變化的影響。

圖 15.激光甲烷傳感器模塊和激光甲烷便攜儀

圖 16.激光甲烷傳感器原理框圖

3.3.2 技術發展

20世紀80年代初Reid等報道了基于半導體激光器頻率調制及甲烷氣體吸收峰二次諧波的檢測技術,20世紀90年初他們將該檢測技術應用于激光甲烷長光程遙測。為了解決當時1650 nm半導體激光器成本較高的問題,研發了空分復用光纖多點式無源探頭用于垃圾填埋場多點甲烷氣體監測。山東省科學院激光研究所也研發了光纖多點式甲烷傳感器,并在多個煤礦對瓦斯抽放管道氣體進行在線監測,展示了光纖甲烷傳感器優越的抗潮濕特性。2009年武漢理工大學研發了礦用激光甲烷傳感器,并在煤礦現場試用。山東微感光電子有限公司發明了基于VCSEL光源的多吸收峰智能切換、無溫控甲烷光譜檢測技術,解決了傳統激光甲烷傳感器中激光器溫控導致的啟動電流沖擊過大的難題,顯著降低了功耗和波動。2016年前激光甲烷傳感器通過了由國家煤礦安全標志檢測中心組織的溫濕度、腐蝕環境等長期可靠性試驗,溫度、壓力補償、響應時間等礦用產品工程化測試評估,并在多個煤礦進行6個月以上的工業性試驗。運行結果表明,相比傳統的紅外發光管和催化燃燒式傳感器等,激光甲烷傳感器在精確度、穩定性等方面具有升級換代的優勢。2016年12月底原國家煤礦安全監察局在《煤礦安全監控系統升級技術方案》中明確指出推薦使用先進傳感器,包括全量程、低功耗、自診斷功能的激光甲烷傳感器,這標志著激光甲烷傳感器正式進入商業化應用。

3.3.3 挑戰性的問題與難點

煤礦火災監測預警需要CO、乙烯、乙炔氣體傳感器達到亞10-6檢測靈敏度,同時又不受甲烷、CO2的交叉干擾,隨著中紅外半導體激光器技術的發展,煤礦火災監測預警技術可望在“十四五”期間取得突破。礦山應變、巖石應力監測要求智能礦山裝備含光纖大位移傳感器,光纖壓力、位移、傾角、振動等傳感器需要無線信號傳輸方式以便減少在礦山惡劣環境對光纜的維護;光纖分布式振動、光纖風速、光纖粉塵傳感器,光纖電流、電壓傳感器,在煤礦井下高濕、粉塵、強機械沖擊等情況下的適應性將是下一步研究和突破的重點。

3.4 油氣光纖傳感技術

我國的能源轉型符合中國國情,是一個清潔低碳、安全高效的現代能源發展過程,是一個煤、油、氣和可再生能源多元協調、多輪驅動的發展過程。在未來相當長的一段時間內,石油是很難被代替的交通燃料和化工原料,其在我國能源革命、能源轉型中發揮著不可替代的作用,是仍然需要大力發展的戰略能源。

自2006年,體積壓裂的儲層改造技術極大地推動了頁巖氣的開發,引發了能源革命。在這個技術思路的帶動下,除了氣井之外,油藏改造開發的策略也有了巨大的改變。在越來越長水平段的基礎上,水平段改造的強度和密度也不斷增大。2011年水平井、單井的平均改造段數少于20層,而到了2017年,單井的平均改造段數超過了30層。經過統計,北美地區過去4年新鉆水平井超過75000口。而這些水平井的平均采收率都小于10%,射孔簇有效性小于60%,不到30%的水平段貢獻75%以上的產量。在對油藏的壓裂改造過程中,需進行有效、實時的評價,以提高對油井改造的認識,需應用大數據挖掘單井的能力深化對單井油藏的認識,優化油藏設計,使產能遞減油井重新變為高產井。因此,傳統的技術手段已滿足不了石油工業的發展需求。要促進石油工業的進一步發展,必須開發和應用新的技術手段。其中,光纖傳感技術就是這些新技術中的一個重要分支,已成為促進石油工業進一步發展的關鍵技術之一。

3.4.1 技術發展

光纖傳感技術在國外石油公司已經得到了廣泛應用,是一項較為成熟的技術。隨著近幾年的迅猛發展,國內各油田公司已加大對該技術的市場化推廣力度,目前該技術已實現產業化發展規模,其應用情況如表11所示。目前光纖傳感技術已廣泛應用于油田測井各個領域,用于監測井下溫度、壓力、聲波、流量等,可有效分析油田儲層動用情況,指導油氣開發方案設計與調整。

3.4.2 需求現狀

1) 基于拉曼散射的光纖分布式溫度傳感(DTS)技術

根據光纖自發拉曼散射中反斯托克斯光對溫度敏感、其強度受溫度調制,而斯托克斯光基本與溫度無關的特點,利用OTDR原理實現對空間分布溫度測量的DTS技術。DTS最早被應用于稠油熱采井中監測井筒的溫度,豐富的溫度資料可以幫助油田經營者更清晰地認識油藏區塊,以實現有效開發。傳統的測溫傳感器只能在某個時間內檢測間斷點的溫度。而光纖分布式溫度傳感技術可以實現在全井范圍內連續且長時間的溫度監測,因此可以更好地跟蹤井下溫度剖面的情況。

近幾年在稠油熱采監測領域,光纖分布式溫度傳感技術的配套工藝取得了長足的發展。通過結合焦耳-湯姆孫效應與管流過程,可以建立井筒-油藏的耦合作用模型,如圖17所示。利用整個輪次開采過程中連續監測的溫壓數據,結合相關的完井和測井數據,能夠對油井產液剖面進行解析,這有助于認識油井中油藏的動用情況,有利于改善油藏開發效果。

圖 17.DTS測量蒸汽輔助重力泄油(SAGD)水平井井下溫度

2) 光纖法布里-珀羅腔測壓技術(PT)

對油井的壓力監測是油田開發中的重要內容,及時精確地獲得油藏的井內壓力信息,能夠有效提高開采效率、保障油井作業的安全、預防災難事故的發生。傳統的井下壓力監測所采用的傳感器主要為應變壓力機與石英晶體壓力計。在油井開發中常需要面對復雜的工作環境,而傳統的壓力監測傳感器的測量精度低、可靠性差。根據光纖法布里-珀羅腔的腔長隨外界壓力的變化而變化的原理來實現對油井中壓力的監測,該方法具有抗干擾能力強、安全性高、長期工作穩定等優點,因此在井下監測中得到廣泛應用,其應用場景如圖18所示。

圖 18.采用光纖測壓技術測量地層壓力

3) DAS技術

基于Φ-OTDR原理對空間分布的振動進行測量的DAS技術如圖19所示,該技術是近幾年光纖測井領域的最前沿技術。通過地面控制系統向井下預置的光纖發射光波并由地面接收系統返回的光波信號。井下發生振動事件時就會產生聲波,光纖受到聲波的作用后,返回的信號被調制。通過監測和解調井下光纖返回的信號,即可分析井下的振動事件。通過測量返回信號的振幅、頻率和能譜并進行解調,即可實時監測到井下事件發生的過程和狀態,如圖20所示。

圖 19.DAS應用于油氣井套管外監測

圖 20.油氣井壓裂過程的DAS監測效果

3.4.3 挑戰性的問題與難點

1) DTS技術

典型稠油井的井下溫度高達260~300 ℃,并且存在含氫層段,光纖在這種環境下的使用壽命大大縮短,無法實現目標井全生命周期的監測。所以,加大高溫耐氫損光纖的研發和試驗力度,在關鍵技術上力爭突破是一個迫切的問題。

2) PT

井下測壓傳感器的加工工藝要求高,可靠性低;在井下高溫、含氫環境中,傳感器壽命短;解調算法中存在模型不準確導致的模式跳變。

3) DAS技術

為達到最好的監測效果,需將光纖鋪設在油氣井套管外、與地層直接接觸,但施工難度大;需要進一步提高低頻甚至超低頻信號采集性能;數據預處理、降噪及人工智能特征提取時,數據量大,算法復雜;油氣井的生產過程中,聲波信號微弱、信噪比低。

3.5 海洋勘探與監測光纖多參量傳感技術

近年來,海洋勘探與監測光纖傳感技術受到了學術界和工業界的廣泛關注,得到了國內外諸多學者的深入研究,并取得了豐碩的研究成果。研發出的傳感器,如海洋光纖溫度傳感器、鹽度傳感器、深度傳感器、海洋光纖油污傳感器、光纖水聽器、海洋光纖流速流向傳感器、海洋風電光纖磁場傳感器和光纖地震傳感器,為了解海洋、認知海洋、經略海洋提供了技術與裝備支撐。

3.5.1 光纖多參量傳感結構與工作原理

基于多芯光纖(MCF)的多傳感機制,單纖海洋溫度、鹽度、深度、流向和流速傳感器結構示意圖如圖21所示。單模光纖(SMF)與MCF熔接時,在單模光纖與MCF熔接點拉錐,且MCF的末端鍍有銀膜。利用MCF的多個纖芯作為干涉臂,實現帶有錐區的Michelson干涉結構;鍍有銀膜的MCF與制備的微空氣腔熔接,形成纖上法布里-珀羅干涉結構;MCF各個纖芯中寫有中心波長或反射率有差異的FBG。

圖 21.海洋單纖復合結構中海洋多參量傳感器結構示意圖

單光纖海洋溫鹽深傳感器的工作原理為:分析應力、折射率、溫度等物理參數對信號光路的影響,得出溫度、鹽度、深度、流速、流向等水下水文環境參數與復合干涉光場分布的規律,建立多維物理量與信號光譜的數學關系模型。帶有錐區的Michelson干涉結構通過測量水中折射率,得到水中鹽度參量;傳感器末端法布里-珀羅干涉結構在靜水壓的作用下,腔長發生變化,通過解調得到水的深度參量;通過MCF中心纖芯的光纖光柵實現溫度的測量;水流流過光纖,在水流的作用下MCF沿水流方向彎曲,流速流向傳感原理示意圖如圖22所示。MCF不同位置的纖芯在彎曲時受到不同的應變,通過測量不同纖芯上FBG波長不同的偏移量,得到光纖彎曲的方向和曲率,進而通過力學模型得到水流的方向和流速。多參量傳感器解調擬通過分解信號頻域中高頻與低頻分量和追蹤特征波長實現。應用相應的低通及高通濾波器技術,通過追蹤特征峰的漂移,解調信號光譜攜帶的傳感信息,實現多物理參數去耦測量。海洋流速流向測量的實驗裝置如圖23所示。

圖 22.流速流向傳感示意圖。(a)傳感器結構;(b)彎曲截面;(c)仿真結果

圖 23.海洋流速流向測量的實驗裝置實物圖

通過圖23所示裝置,可以實現對光纖光柵曲率半徑及方向的測量,從而對傳感器的精度及測量范圍進行標定,實現海洋流速流向的測量應用。

3.5.2 挑戰性的問題與難點

各種參量的海洋光纖傳感技術經過了近十年的快速發展,其傳感結構與關鍵器件已經能夠實現全部國產化,接近實際應用的水平,近幾年來逐步進入若干應用領域,其面臨的主要問題是:

1) 目前使用的多芯光纖的纖芯位置與間距需要特制,它關系到傳感器的靈敏度和成本,限制了應用開發的速度。

2) 復合結構中的不同種光纖間的低損耗熔接技術是實現海洋光纖傳感技術的重要環節。

3) 無論是基于多芯光纖的光柵陣列解調技術,還是復合結構中多參量的解調方案,其重構算法還有待進一步完善。

4 我國光纖傳感技術發展的愿景

伴隨著我國光纖傳感技術領域的發展,各高校中相關人才培養的模式也在緩慢地發生著變化,這是因為需求牽引著學術技術化,市場驅動著技術工程化。在這個信息技術發展急速變化的時代,已經很少有機會能夠有較多的時間容許人才緩慢地發展來跟隨信息技術快速變化的腳步。如何滿足人才市場多樣性的需求?如何應對快速發展變化的相關產業?這些問題對各個高校的人才培養方式提出了新的挑戰。

從市場的邏輯出發,需求牽引著市場擴展,市場驅動著技術的進步。就光纖傳感技術而言,若某項特殊的感測技術有用,這項技術就能得到更深入的研究,就能得到市場更多的投入,該項技術本身才能得到更快的發展與進步。

光纖傳感技術的成熟伴隨著光纖通信技術的成熟,但是與光纖通信的市場情況則相反。光纖傳感市場不僅被各種不同的需求和多樣化的應用場景細分,而且能夠滿足各種應用的支撐性技術也各不相同,這樣的現實情況阻礙了資本的投入規模,客觀上也制約了光纖傳感技術的發展。

時至今日,我國光纖傳感技術正處于一個高速發展期,又恰逢我國金融市場的活躍期。一方面,細分市場促進工業級骨干企業的崛起,以實現細分市場的整合,完成基礎層高可靠性、低成本、規模化的關鍵材料與器件的供給。這些供給包括三個內容:1)提供適用于具體應用場景的特種傳感光纖與光纜;2)提供與特種傳感光纖相配套的特種光纖器件;3)提供工業級高可靠性、低成本專用光電信號集成處理芯片或處理模塊。另一方面,市場的多樣性也促進了那些能夠滿足應用端細分市場需求的各個行業企業的發展,它們是活躍在各個應用終端的工程應用型企業,能夠與各個傳統應用領域深度緊密結合。基礎器件層工業級骨干企業的需求是少而精,應用端工程技術企業需求是多而強,通過這兩類企業的分工協作,以及技術市場風投資本的投入不斷加大,我國光纖傳感產業鏈的各個環節的高速成長期已經來臨。

從長遠來看,按照庫茲韋爾的預測,從技術的視角來看,光纖傳感技術屬于信息技術領域,其發展趨勢滿足符合指數規律的廣義摩爾定律；此外,從光纖技術產品的視角來看,隨著市場規模的擴大,生產成本的降低趨勢與規律可由萊特定律描述，具體表述為產量每增加1倍,成本會降低一定的百分比。萊特定律比摩爾定律早幾十年被提出,是由航空工程師西奧多·萊特在1936年發現的。我們知道,科技對社會的推動取決于社會對科技的運用水平,其中一個很重要的指標就是價格。換言之,價格越低,使用者越多,科技產品對社會的貢獻才會越大。因此,量產和規模化應用將是我國對推動光纖傳感技術發展的又一重要貢獻。展望光纖傳感技術的未來,由于技術、經濟、市場交互促進,增速必將相互疊加,一個日益清晰的指數型市場需求發展前景已經逐漸展現在我們面前。

致謝

感謝本文所有作者對本文所做的貢獻。本文2.1節內容由童維軍撰寫,2.2節內容由江山撰寫,2.3節內容由楊遠洪撰寫,2.4節內容由孟洲撰寫,2.5節內容由董永康撰寫,2.6節內容由饒云江撰寫,2.7節內容由何祖源撰寫,3.1節內容由靳偉撰寫,3.2節內容由苑立波撰寫,3.3節內容由劉統玉撰寫,3.4節內容由鄒琪琳撰寫,3.5節內容由畢衛紅撰寫。

審核編輯黃昊宇