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在上一篇我國光纖傳感技術(shù)發(fā)展路線：關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀中，我們介紹了光纖傳感若干關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展路徑，包括特種光纖、FBG、光纖陀螺、光纖水聽器、分布式布里淵光纖、Ф-OTDR、OFDR，詳細(xì)闡述了這幾類技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的問題。今天，我們?cè)賮砜纯丛诠饫w傳感技術(shù)在產(chǎn)品應(yīng)用到氣體感測、三維形狀傳感、煤礦安全監(jiān)測、油氣井下測量以及海洋開發(fā)應(yīng)用等領(lǐng)域的應(yīng)用情況。
若干典型領(lǐng)域中的光纖傳感技術(shù)應(yīng)用情況
1光纖氣體傳感技術(shù)
航天、航海、能源、食品衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)氣體探測的能力提出了愈來愈高的要求。目前常用的氣體檢測技術(shù)包括氣相色譜/質(zhì)譜分析，電化學(xué)、光離子化探測等，在測量精度、動(dòng)態(tài)范圍、氣體種類、成本、體積、在線或遠(yuǎn)程測量等方面難以滿足日益增長的需求。
傳統(tǒng)的光譜學(xué)氣體傳感器由分立的光學(xué)元件構(gòu)成，使用空間氣室作為傳感單元，其體積較大，對(duì)準(zhǔn)比較困難。激光光譜技術(shù)具有選擇性好、無需標(biāo)記等優(yōu)點(diǎn)。尤其是，微納結(jié)構(gòu)光纖柔性好，可實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)。微納結(jié)構(gòu)光纖對(duì)光場的束縛強(qiáng)、模場尺寸小、能量密度高、和樣品重疊度高，可增強(qiáng)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(duì)準(zhǔn)和鏈接，有助于推動(dòng)光譜學(xué)測量技術(shù)向?qū)嵱没较虬l(fā)展，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程探測。利用微納光纖本身的光學(xué)模式、聲學(xué)模式及熱傳導(dǎo)等特性，可以實(shí)現(xiàn)新型高靈敏的氣體傳感器。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(jù)測量需要，工作波長可選擇紫外、可見光或紅外波段。
首次應(yīng)用微納結(jié)構(gòu)光纖進(jìn)行氣體測量的報(bào)道可以追溯到2001年。最早研究中用的是實(shí)芯微結(jié)構(gòu)光纖，之后是空芯光纖。二十年來，研究人員在光纖氣室的設(shè)計(jì)和制作、響應(yīng)速度的提高、新型檢測方法、噪聲抑制、靈敏度的提高、動(dòng)態(tài)范圍的增大、系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高及實(shí)用化方面取得了令人矚目的進(jìn)展，如表1。
表1 微納結(jié)構(gòu)光纖氣體傳感技術(shù)發(fā)展簡表
目前在實(shí)驗(yàn)室條件下，微納結(jié)構(gòu)光纖氣體傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(dá)到10-6至 10-12量級(jí)。面向不同領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，仍需解決如下主要問題:
探頭技術(shù)。優(yōu)化微納結(jié)構(gòu)光纖的模式和偏振特性以提升氣室的光學(xué)穩(wěn)定性，采用合適的防水、防污、防震封裝以適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。光學(xué)解調(diào)技術(shù)。光學(xué)干涉相位檢測系統(tǒng)需具有高靈敏、大動(dòng)態(tài)范圍、穩(wěn)定、小型化和低成本的特點(diǎn)。光源技術(shù)。不同波段，尤其是紅外波段的低成本、可調(diào)諧、窄線寬激光器是高靈敏多組分氣體測量的關(guān)鍵器件。
2光纖三維形狀傳感技術(shù)
如果想要對(duì)一個(gè)動(dòng)態(tài)的物體進(jìn)行跟蹤，在缺乏視覺接觸的情況下，形狀感知就顯得特別關(guān)鍵。近年來，基于光纖形狀的傳感方法受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。光纖形狀傳感器為傳統(tǒng)的形狀感知提供了一種非常有效的替代方法，它允許對(duì)形狀進(jìn)行連續(xù)、動(dòng)態(tài)、直接的跟蹤，而不需要視覺接觸。光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、靈活性強(qiáng)、嵌入能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以很好地附著在被監(jiān)測的物體上，同時(shí)保證了安裝的方便性和形狀跟蹤的有效性。這些優(yōu)勢使得其在醫(yī)療、能源、國防、航空航天、結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測以及其他智能結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。圖1是全部國產(chǎn)化的四芯光纖三維形狀傳感系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵部件。
圖1 基于四芯光纖的三維形狀傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵部件
實(shí)際應(yīng)用中，如輸油管線、橋梁結(jié)構(gòu)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(jìn)行組合，并使用布里淵光時(shí)域反射技術(shù)監(jiān)測其形狀變化；而對(duì)于中等尺度或小尺度應(yīng)用場景，例如機(jī)器人、柔性醫(yī)用器械等，則適合采用多芯光纖陣列FBG解調(diào)技術(shù)或者分布式OFDR的曲率積分及形狀重構(gòu)的方法，來實(shí)現(xiàn)較高精度的三維形狀感測。其中，該技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域最具有發(fā)展?jié)摿Α?/span>
光纖三維形狀傳感技術(shù)的發(fā)展思路有兩個(gè)：一是采用多芯光纖；二是采用多根單芯光纖與柱狀結(jié)構(gòu)物相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)三維形狀傳感。這里談的主要基于第一種思路。表2為基于多芯光纖的三維形狀傳感技術(shù)發(fā)展梗概。
表2 多芯光纖三維形狀傳感技術(shù)發(fā)展簡表
光纖三維形狀傳感技術(shù)經(jīng)過近二十年的快速發(fā)展，目前該項(xiàng)技術(shù)涉及的關(guān)鍵器件已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)全部國產(chǎn)化，接近實(shí)際應(yīng)用的水平。國內(nèi)有多家單位相繼開展了有關(guān)研究，桂林電子科技大學(xué)所研制的基于多芯光纖光柵三維形狀傳感系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)三維形狀感測能力，為工程化應(yīng)用提供了各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，近年來逐步應(yīng)用于若干領(lǐng)域，其面臨的主要問題是:
目前使用的多芯光纖的纖芯間距較小，其精度相對(duì)于較大纖芯間距的光纖形狀傳感器還有一定差距。多芯光纖相關(guān)器件性能及技術(shù)的提升，是多芯光纖形狀傳感技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵，如低損耗多芯光纖扇入扇出器件、方便可靠的熔接技術(shù)以及低損耗活動(dòng)連接技術(shù)等。無論是基于多芯光纖光柵陣列的解調(diào)技術(shù)，還是基于多芯光纖OFDR的解調(diào)方案，三維重構(gòu)算法都有待于進(jìn)一步的改進(jìn)。多芯光纖及其光器件還沒有統(tǒng)一的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不同器件兼容性較差，難以降低成本并推進(jìn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。
3煤礦光纖傳感技術(shù)
光纖傳感器無需供電，對(duì)于煤礦井下易燃易爆氣體監(jiān)測和長距離多點(diǎn)巷道圍巖變形、巖石應(yīng)力等在線監(jiān)測具有獨(dú)特優(yōu)勢。
近二十年來，半導(dǎo)體激光甲烷傳感器（如圖2）的研發(fā)和煤礦應(yīng)用工程化技術(shù)的研究較多，經(jīng)歷了從實(shí)驗(yàn)室原理驗(yàn)證到工程樣機(jī)，再到近10萬只光纖傳感器在一千余座煤礦的規(guī)?；瘧?yīng)用。激光甲烷傳感器具有全量程、免標(biāo)校、高選擇性、長期穩(wěn)定可靠性等獨(dú)特優(yōu)勢，已得到了煤礦行業(yè)的普遍認(rèn)可，并逐步替代傳統(tǒng)催化燃燒式甲烷傳感器。2016年12月底原國家煤礦安全監(jiān)察局在《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)技術(shù)方案》中明確指出推薦使用先進(jìn)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(biāo)志著激光甲烷傳感器正式進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用。
圖2 激光甲烷傳感器模塊和激光甲烷便攜儀
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(qū)自燃發(fā)火隱患在線監(jiān)測及預(yù)警定位方面展現(xiàn)了獨(dú)特的作用，解決了采空區(qū)火災(zāi)隱患電子傳感器存在檢測盲區(qū)的難題，該類傳感器經(jīng)歷了從隔爆兼本安型到低功耗本安型礦用儀器的升級(jí)過程，現(xiàn)已在全國數(shù)百個(gè)煤礦中對(duì)采空區(qū)和膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行火災(zāi)隱患監(jiān)測預(yù)警方面得到了應(yīng)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(yīng)變、壓力、風(fēng)速等傳感器，以及光纖分布式溫度、應(yīng)變、振動(dòng)和氣體傳感器將在日益興起的智能礦山建設(shè)中擁有十分廣闊的發(fā)展空間。隨著中紅外半導(dǎo)體激光器技術(shù)的發(fā)展，煤礦火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)可望在十四五期間取得突破。而下一步研究和突破的重點(diǎn)則在于，光纖分布式振動(dòng)、光纖風(fēng)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(qiáng)機(jī)械沖擊等情況下的適應(yīng)性。
4油氣光纖傳感技術(shù)
光纖傳感技術(shù)在國外石油公司已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，是一項(xiàng)較為成熟的技術(shù)。隨著近幾年的迅猛發(fā)展，國內(nèi)各油田公司已加大對(duì)該技術(shù)的市場化推廣力度，目前該技術(shù)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展規(guī)模。目前光纖傳感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于油田測井各個(gè)領(lǐng)域，用于監(jiān)測井下溫度、壓力、聲波、流量等，可有效分析油田儲(chǔ)層動(dòng)用情況，指導(dǎo)油氣開發(fā)方案設(shè)計(jì)與調(diào)整。
基于拉曼散射的光纖分布式溫度傳感(DTS)技術(shù)：DTS最早被應(yīng)用于稠油熱采井中監(jiān)測井筒的溫度，豐富的溫度資料可以幫助油田經(jīng)營者更清晰地認(rèn)識(shí)油藏區(qū)塊，以實(shí)現(xiàn)有效開發(fā)。傳統(tǒng)的測溫傳感器只能在某個(gè)時(shí)間內(nèi)檢測間斷點(diǎn)的溫度；而光纖分布式溫度傳感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在全井范圍內(nèi)連續(xù)且長時(shí)間的溫度監(jiān)測，因此可以更好地跟蹤井下溫度剖面的情況，如圖3。但是，典型稠油井的井下溫度高達(dá)260℃~300℃，并且存在含氫層段，光纖在這種環(huán)境下的使用壽命大大縮短，無法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)井全生命周期的監(jiān)測。所以，加大高溫耐氫損光纖的研發(fā)和試驗(yàn)力度，在關(guān)鍵技術(shù)上力爭突破是一個(gè)迫切的問題。
圖3 DTS測量蒸汽輔助重力泄油(SAGD)水平井井下溫度
光纖法布里-珀羅腔測壓技術(shù)(PT)：根據(jù)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(shí)現(xiàn)對(duì)油井中壓力的監(jiān)測，該方法具有抗干擾能力強(qiáng)、安全性高、長期工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此在井下監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用場景如圖4所示。但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(huán)境中，傳感器壽命短；且解調(diào)算法中存在模型不準(zhǔn)確導(dǎo)致的模式跳變。
圖4 采用光纖測壓技術(shù)測量地層壓力
DAS技術(shù)：基于Φ-OTDR原理對(duì)空間分布的振動(dòng)進(jìn)行測量的DAS技術(shù)，是近幾年光纖測井領(lǐng)域的最前沿技術(shù)。為達(dá)到最好的監(jiān)測效果，需將光纖鋪設(shè)在油氣井套管外、與地層直接接觸，但施工難度大。此外，還需要進(jìn)一步提高低頻甚至超低頻信號(hào)采集性能，并面臨著數(shù)據(jù)預(yù)處理、降噪及人工智能特征提取時(shí)，數(shù)據(jù)量大，算法復(fù)雜的問題；以及油氣井的生產(chǎn)過程中，聲波信號(hào)微弱、信噪比低的問題。
5海洋勘探與監(jiān)測光纖多參量傳感技術(shù)
近年來，海洋勘探與監(jiān)測光纖傳感技術(shù)受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，得到了國內(nèi)外諸多學(xué)者的深入研究，并取得了豐碩的研究成果。研發(fā)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(fēng)電光纖磁場傳感器和光纖地震傳感器，為了解海洋、認(rèn)知海洋、經(jīng)略海洋提供了技術(shù)與裝備支撐。
各種參量的海洋光纖傳感技術(shù)經(jīng)過了近十年的快速發(fā)展，其傳感結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵器件已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)全部國產(chǎn)化，接近實(shí)際應(yīng)用的水平，近幾年來逐步進(jìn)入若干應(yīng)用領(lǐng)域，其面臨的主要問題是:
目前使用的多芯光纖的纖芯位置與間距需要特制，它關(guān)系到傳感器的靈敏度和成本，限制了應(yīng)用開發(fā)的速度。復(fù)合結(jié)構(gòu)中的不同種光纖間的低損耗熔接技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)海洋光纖傳感技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。無論是基于多芯光纖的光柵陣列解調(diào)技術(shù),，還是復(fù)合結(jié)構(gòu)中多參量的解調(diào)方案，其重構(gòu)算法還有待進(jìn)一步完善。
我國光纖傳感技術(shù)發(fā)展的愿景
伴隨著我國光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，各高校中相關(guān)人才培養(yǎng)的模式也在緩慢地發(fā)生著變化，這是因?yàn)樾枨鬆恳鴮W(xué)術(shù)技術(shù)化，市場驅(qū)動(dòng)著技術(shù)工程化。在這個(gè)信息技術(shù)發(fā)展急速變化的時(shí)代，已經(jīng)很少有機(jī)會(huì)能夠有較多的時(shí)間容許人才緩慢地發(fā)展，來跟隨信息技術(shù)快速變化的腳步。如何滿足人才市場多樣性的需求？如何應(yīng)對(duì)快速發(fā)展變化的相關(guān)產(chǎn)業(yè)？這些問題對(duì)各個(gè)高校的人才培養(yǎng)方式提出了新的挑戰(zhàn)。
從市場的邏輯出發(fā)，需求牽引著市場擴(kuò)展，市場驅(qū)動(dòng)著技術(shù)的進(jìn)步。就光纖傳感技術(shù)而言，若某項(xiàng)特殊的感測技術(shù)有用，這項(xiàng)技術(shù)就能得到更深入的研究，就能得到市場更多的投入，該項(xiàng)技術(shù)本身才能得到更快的發(fā)展與進(jìn)步。
光纖傳感技術(shù)的成熟伴隨著光纖通信技術(shù)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(yīng)用場景細(xì)分，而且能夠滿足各種應(yīng)用的支撐性技術(shù)也各不相同，這樣的現(xiàn)實(shí)情況阻礙了資本的投入規(guī)模，客觀上也制約了光纖傳感技術(shù)的發(fā)展。
時(shí)至今日，我國光纖傳感技術(shù)正處于一個(gè)高速發(fā)展期，又恰逢我國金融市場的活躍期。一方面，細(xì)分市場促進(jìn)工業(yè)級(jí)骨干企業(yè)的崛起，以實(shí)現(xiàn)細(xì)分市場的整合，完成基礎(chǔ)層高可靠性、低成本、規(guī)?；年P(guān)鍵材料與器件的供給。這些供給包括三個(gè)內(nèi)容：
1) 提供適用于具體應(yīng)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(yè)級(jí)高可靠性、低成本專用光電信號(hào)集成處理芯片或處理模塊。
另一方面，市場的多樣性也促進(jìn)了那些能夠滿足應(yīng)用端細(xì)分市場需求的各個(gè)行業(yè)企業(yè)的發(fā)展，它們是活躍在各個(gè)應(yīng)用終端的工程應(yīng)用型企業(yè)，能夠與各個(gè)傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域深度緊密結(jié)合?；A(chǔ)器件層工業(yè)級(jí)骨干企業(yè)的需求是少而精，應(yīng)用端工程技術(shù)企業(yè)需求是多而強(qiáng)，通過這兩類企業(yè)的分工協(xié)作，以及技術(shù)市場風(fēng)投資本的投入不斷加大，我國光纖傳感產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)的高速成長期已經(jīng)來臨。
本文作者
苑立波1,童維軍2,江山3,楊遠(yuǎn)洪4,孟洲5,董永康6,饒?jiān)平?, 何祖源8,靳偉9,劉統(tǒng)玉10,鄒琪琳11,畢衛(wèi)紅12
1桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院光子學(xué)研究中心
2長飛光纖光纜股份有限公司光纖光纜制備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
3武漢理工光科有限股份公司
4北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院
5國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院
6哈爾濱工業(yè)大學(xué)可調(diào)諧激光技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
7電子科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院光纖傳感與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室光纖光學(xué)研究中心
8上海交通大學(xué)區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
9香港理工大學(xué)電機(jī)工程系
10山東省光纖傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)山東省科學(xué)院激光研究所
11北京知覺科技有限公司
12燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,河北省特種光纖與光纖傳感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
本文改寫自發(fā)表在《光學(xué)學(xué)報(bào)》上我國光纖傳感技術(shù)發(fā)展路線圖一文，在此特別感謝楊遠(yuǎn)洪老師對(duì)本文的指導(dǎo)。
