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在上一篇我國光纖傳感技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)：關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現狀中，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(tīng)器、分布式布里淵光纖、Ф-OTDR、OFDR，詳細闡述了這幾類(lèi)技術(shù)的發(fā)展現狀及面臨的問(wèn)題。今天，我們再來(lái)看看在光纖傳感技術(shù)在產(chǎn)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(kāi)發(fā)應用等領(lǐng)域的應用情況。
若干典型領(lǐng)域中的光纖傳感技術(shù)應用情況
1光纖氣體傳感技術(shù)
航天、航海、能源、食品衛生、環(huán)境保護、醫學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，對氣體探測的能力提出了愈來(lái)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(lèi)、成本、體積、在線(xiàn)或遠程測量等方面難以滿(mǎn)足日益增長(cháng)的需求。
傳統的光譜學(xué)氣體傳感器由分立的光學(xué)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。激光光譜技術(shù)具有選擇性好、無(wú)需標記等優(yōu)點(diǎn)。尤其是，微納結構光纖柔性好，可實(shí)現光與氣體在光纖中的長(cháng)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(chǎng)的束縛強、模場(chǎng)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(xiàn)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(jiǎn)化了光路之間的對準和鏈接，有助于推動(dòng)光譜學(xué)測量技術(shù)向實(shí)用化方向發(fā)展，便于實(shí)現遠程探測。利用微納光纖本身的光學(xué)模式、聲學(xué)模式及熱傳導等特性，可以實(shí)現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。根據測量需要，工作波長(cháng)可選擇紫外、可見(jiàn)光或紅外波段。
首次應用微納結構光纖進(jìn)行氣體測量的報道可以追溯到2001年。最早研究中用的是實(shí)芯微結構光纖，之后是空芯光纖。二十年來(lái)，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(dòng)態(tài)范圍的增大、系統穩定性的提高及實(shí)用化方面取得了令人矚目的進(jìn)展，如表1。
表1 微納結構光纖氣體傳感技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)表
目前在實(shí)驗室條件下，微納結構光纖氣體傳感器已經(jīng)實(shí)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(lǐng)域的實(shí)際應用，仍需解決如下主要問(wèn)題:
探頭技術(shù)。優(yōu)化微納結構光纖的模式和偏振特性以提升氣室的光學(xué)穩定性，采用合適的防水、防污、防震封裝以適應不同的應用環(huán)境。光學(xué)解調技術(shù)。光學(xué)干涉相位檢測系統需具有高靈敏、大動(dòng)態(tài)范圍、穩定、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、可調諧、窄線(xiàn)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)
如果想要對一個(gè)動(dòng)態(tài)的物體進(jìn)行跟蹤，在缺乏視覺(jué)接觸的情況下，形狀感知就顯得特別關(guān)鍵。近年來(lái)，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(jìn)行連續、動(dòng)態(tài)、直接的跟蹤，而不需要視覺(jué)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(diǎn)，可以很好地附著(zhù)在被監測的物體上，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(lǐng)域具有廣泛的應用。圖1是全部國產(chǎn)化的四芯光纖三維形狀傳感系統的幾個(gè)關(guān)鍵部件。
圖1 基于四芯光纖的三維形狀傳感系統的關(guān)鍵部件
實(shí)際應用中，如輸油管線(xiàn)、橋梁結構等大尺度三維形狀傳感場(chǎng)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)監測其形狀變化；而對于中等尺度或小尺度應用場(chǎng)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(shù)或者分布式OFDR的曲率積分及形狀重構的方法，來(lái)實(shí)現較高精度的三維形狀感測。其中，該技術(shù)在醫療領(lǐng)域最具有發(fā)展潛力。
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構物相結合的方式實(shí)現三維形狀傳感。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(jiǎn)表
光纖三維形狀傳感技術(shù)經(jīng)過(guò)近二十年的快速發(fā)展，目前該項技術(shù)涉及的關(guān)鍵器件已經(jīng)能夠實(shí)現全部國產(chǎn)化，接近實(shí)際應用的水平。國內有多家單位相繼開(kāi)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具有動(dòng)態(tài)三維形狀感測能力，為工程化應用提供了各項關(guān)鍵技術(shù)，近年來(lái)逐步應用于若干領(lǐng)域，其面臨的主要問(wèn)題是:
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。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(wú)論是基于多芯光纖光柵陣列的解調技術(shù)，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(jìn)一步的改進(jìn)。多芯光纖及其光器件還沒(méi)有統一的工業(yè)標準，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(wú)需供電，對于煤礦井下易燃易爆氣體監測和長(cháng)距離多點(diǎn)巷道圍巖變形、巖石應力等在線(xiàn)監測具有獨特優(yōu)勢。
近二十年來(lái)，半導體激光甲烷傳感器（如圖2）的研發(fā)和煤礦應用工程化技術(shù)的研究較多，經(jīng)歷了從實(shí)驗室原理驗證到工程樣機，再到近10萬(wàn)只光纖傳感器在一千余座煤礦的規?；瘧?。激光甲烷傳感器具有全量程、免標校、高選擇性、長(cháng)期穩定可靠性等獨特優(yōu)勢，已得到了煤礦行業(yè)的普遍認可，并逐步替代傳統催化燃燒式甲烷傳感器。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(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，這標志著(zhù)激光甲烷傳感器正式進(jìn)入商業(yè)化應用。
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自燃發(fā)火隱患在線(xiàn)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(lèi)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過(guò)程，現已在全國數百個(gè)煤礦中對采空區和膠帶運輸系統進(jìn)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(fēng)速等傳感器，以及光纖分布式溫度、應變、振動(dòng)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(fā)展空間。隨著(zhù)中紅外半導體激光器技術(shù)的發(fā)展，煤礦火災監測預警技術(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、強機械沖擊等情況下的適應性。
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)得到了廣泛應用，是一項較為成熟的技術(shù)。隨著(zhù)近幾年的迅猛發(fā)展，國內各油田公司已加大對該技術(shù)的市場(chǎng)化推廣力度，目前該技術(shù)已實(shí)現產(chǎn)業(yè)化發(fā)展規模。目前光纖傳感技術(shù)已廣泛應用于油田測井各個(gè)領(lǐng)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(dòng)用情況，指導油氣開(kāi)發(fā)方案設計與調整。
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(jīng)營(yíng)者更清晰地認識油藏區塊，以實(shí)現有效開(kāi)發(fā)。傳統的測溫傳感器只能在某個(gè)時(shí)間內檢測間斷點(diǎn)的溫度；而光纖分布式溫度傳感技術(shù)可以實(shí)現在全井范圍內連續且長(cháng)時(shí)間的溫度監測，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(wú)法實(shí)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(fā)和試驗力度，在關(guān)鍵技術(shù)上力爭突破是一個(gè)迫切的問(wèn)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)：根據光纖法布里-珀羅腔的腔長(cháng)隨外界壓力的變化而變化的原理來(lái)實(shí)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(cháng)期工作穩定等優(yōu)點(diǎn)，因此在井下監測中得到廣泛應用，其應用場(chǎng)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；且解調算法中存在模型不準確導致的模式跳變。
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。此外，還需要進(jìn)一步提高低頻甚至超低頻信號采集性能，并面臨著(zhù)數據預處理、降噪及人工智能特征提取時(shí)，數據量大，算法復雜的問(wèn)題；以及油氣井的生產(chǎn)過(guò)程中，聲波信號微弱、信噪比低的問(wèn)題。
5海洋勘探與監測光纖多參量傳感技術(shù)
近年來(lái)，海洋勘探與監測光纖傳感技術(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(tīng)器、海洋光纖流速流向傳感器、海洋風(fēng)電光纖磁場(chǎng)傳感器和光纖地震傳感器，為了解海洋、認知海洋、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(guò)了近十年的快速發(fā)展，其傳感結構與關(guān)鍵器件已經(jīng)能夠實(shí)現全部國產(chǎn)化，接近實(shí)際應用的水平，近幾年來(lái)逐步進(jìn)入若干應用領(lǐng)域，其面臨的主要問(wèn)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，限制了應用開(kāi)發(fā)的速度。復合結構中的不同種光纖間的低損耗熔接技術(shù)，是實(shí)現海洋光纖傳感技術(shù)的重要環(huán)節。無(wú)論是基于多芯光纖的光柵陣列解調技術(shù),，還是復合結構中多參量的解調方案，其重構算法還有待進(jìn)一步完善。
我國光纖傳感技術(shù)發(fā)展的愿景
伴隨著(zhù)我國光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，各高校中相關(guān)人才培養的模式也在緩慢地發(fā)生著(zhù)變化，這是因為需求牽引著(zhù)學(xué)術(shù)技術(shù)化，市場(chǎng)驅動(dòng)著(zhù)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)很少有機會(huì )能夠有較多的時(shí)間容許人才緩慢地發(fā)展，來(lái)跟隨信息技術(shù)快速變化的腳步。如何滿(mǎn)足人才市場(chǎng)多樣性的需求？如何應對快速發(fā)展變化的相關(guān)產(chǎn)業(yè)？這些問(wèn)題對各個(gè)高校的人才培養方式提出了新的挑戰。
從市場(chǎng)的邏輯出發(fā)，需求牽引著(zhù)市場(chǎng)擴展，市場(chǎng)驅動(dòng)著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步。就光纖傳感技術(shù)而言，若某項特殊的感測技術(shù)有用，這項技術(shù)就能得到更深入的研究，就能得到市場(chǎng)更多的投入，該項技術(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(zhù)光纖通信技術(shù)的成熟，但是與光纖通信的市場(chǎng)情況則相反。光纖傳感市場(chǎng)不僅被各種不同的需求和多樣化的應用場(chǎng)景細分，而且能夠滿(mǎn)足各種應用的支撐性技術(shù)也各不相同，這樣的現實(shí)情況阻礙了資本的投入規模，客觀(guān)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(chǎng)的活躍期。一方面，細分市場(chǎng)促進(jìn)工業(yè)級骨干企業(yè)的崛起，以實(shí)現細分市場(chǎng)的整合，完成基礎層高可靠性、低成本、規?；年P(guān)鍵材料與器件的供給。這些供給包括三個(gè)內容：
1) 提供適用于具體應用場(chǎng)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)級高可靠性、低成本專(zhuān)用光電信號集成處理芯片或處理模塊。
另一方面，市場(chǎng)的多樣性也促進(jìn)了那些能夠滿(mǎn)足應用端細分市場(chǎng)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)應用終端的工程應用型企業(yè)，能夠與各個(gè)傳統應用領(lǐng)域深度緊密結合?；A器件層工業(yè)級骨干企業(yè)的需求是少而精，應用端工程技術(shù)企業(yè)需求是多而強，通過(guò)這兩類(lèi)企業(yè)的分工協(xié)作，以及技術(shù)市場(chǎng)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)節的高速成長(cháng)期已經(jīng)來(lái)臨。
本文作者
苑立波1,童維軍2,江山3,楊遠洪4,孟洲5,董永康6,饒云江7, 何祖源8,靳偉9,劉統玉10,鄒琪琳11,畢衛紅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(cháng)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)可調諧激光技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗室
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)驗室光纖光學(xué)研究中心
8上海交通大學(xué)區域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統國家重點(diǎn)實(shí)驗室
9香港理工大學(xué)電機工程系
10山東省光纖傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室,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(jué)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)驗室
本文改寫(xiě)自發(fā)表在《光學(xué)學(xué)報》上我國光纖傳感技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖一文，在此特別感謝楊遠洪老師對本文的指導。
