光纖傳感技術(shù)經(jīng)過四十多年的學術(shù)研究與技術(shù)發(fā)展，在近幾年形成了加速發(fā)展的趨勢，其原因主要有兩個：一是光纖傳感技術(shù)已經(jīng)在若干實際場景中獲得了大量應用；二是微納技術(shù)、材料技術(shù)及生物技術(shù)的發(fā)展和應用，也為光纖傳感技術(shù)提供了許多交叉感測的新方法。我國經(jīng)濟的快速發(fā)展不僅為光纖傳感技術(shù)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。下面我們來看看光纖傳感若干關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展路徑。

一、我們來看看光纖傳感若干關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展路徑

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(fā)展，有力地推動了光纖傳感技術(shù)水平邁上新臺階。光纖傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相比，具有一系列獨特的優(yōu)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(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控等。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起和5G技術(shù)的大規(guī)模商用化，應用于傳感系統(tǒng)的特種光纖及器件也將迎來蓬勃的發(fā)展。光纖應用于傳感領域也經(jīng)歷了一系列的技術(shù)變革，為滿足不同的應用環(huán)境，特種傳感光纖技術(shù)的發(fā)展也從更小尺寸的集成化向更適用于惡劣環(huán)境的技術(shù)方向發(fā)展，光纖傳感實用化也取得了長足的進步。

特種光纖主要包括抗彎曲光纖、保偏光纖、耐高溫光纖、抗輻射光纖、旋轉(zhuǎn)光纖、瑞利散射增強光纖等。

1）抗彎曲光纖，彎曲損耗低，機械強度高，適合小尺寸振動環(huán)繞制，在光纖水聽器上有重要應用。單個水聽器很難獲得目標的詳細信息，需要布放成百上千個探測基元組成大的探測陣列，來實現(xiàn)對水下目標的定位與指向。對于大規(guī)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?？箯澒饫w也經(jīng)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(fā)展歷程，其極限彎曲半徑已經(jīng)達到了5 mm，最大宏觀彎曲損耗小于0.01 dB/turn。

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

3）耐高溫光纖，采用特種耐高溫聚酰亞胺涂料涂敷，耐受溫度達300 ℃，主要用于分布式光纖測溫系統(tǒng)，如火災監(jiān)測、管道泄漏檢測等特殊環(huán)境。

4）抗輻射光纖，主要用于太空或核電等輻照環(huán)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(huán)境的特種光纖?，F(xiàn)階段的抗輻射光纖主要從摻雜材料優(yōu)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(zhuǎn)光纖，具有極為突出的抗環(huán)境干擾能力，主要應用于基于法拉第磁光效應的光纖電流互感器。目前，比較成熟的旋轉(zhuǎn)光纖是通過在拉絲過程中旋轉(zhuǎn)預制棒制備而成。通過對扭轉(zhuǎn)速率的優(yōu)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(zhuǎn)光纖的機械強度較高，工藝一致性穩(wěn)定，極大地提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性，已應用于電力、冶金等領域。

6）瑞利散射增強光纖，主要用于基于瑞利散射的分布式傳感系統(tǒng)中，如Φ-OTDR傳感系統(tǒng)。

與通信不同，光纖傳感應用往往伴隨了一些特殊的應用環(huán)境。隨著我國各個行業(yè)的發(fā)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?qū)馆椛涔饫w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(chǎn)生了強勁的拉動作用。

然而，在特種光纖應用環(huán)境中，不同的應用方向?qū)饫w的要求各不相同，實現(xiàn)更高技術(shù)水平對光纖的各項指標也提出了獨特的技術(shù)要求。特種光纖在傳感領域的應用已經(jīng)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(shù)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(shù)的載體，隨著未來新光纖傳感技術(shù)的出現(xiàn)以及現(xiàn)有傳感技術(shù)的升級換代，必將產(chǎn)生新的光纖類型以及更高技術(shù)要求的各類傳感光纖。

2、光纖布拉格光柵傳感技術(shù)

光纖布拉格光柵（FBG）是業(yè)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(shù)。同其他光纖傳感技術(shù)相比，F(xiàn)BG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(huán)境耐受能力，同時具有組網(wǎng)復用方式靈活多樣的特點。

FBG陣列傳感作為新一代光纖光柵傳感技術(shù)，有機結(jié)合了傳統(tǒng)“分立式光纖光柵傳感”與“分布式光纖傳感”各自的優(yōu)勢，是實現(xiàn)大容量、高精度、高密度、長距離、高可靠性光纖傳感網(wǎng)絡的最有效途徑。

光纖的光敏特性早在1978年就被發(fā)現(xiàn)，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(shù)進步才使FBG的商用化得到快速發(fā)展。表1概括描述了光纖布拉格光柵傳感技術(shù)的發(fā)展歷程。

表1 光纖布拉格光柵傳感技術(shù)的發(fā)展簡表

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(shù)的關(guān)鍵器件已經(jīng)全部實現(xiàn)國產(chǎn)化，并在眾多領域得到廣泛應用，包括橋梁、隧道、邊坡、大壩等大型建筑的監(jiān)測，石油天然氣領域的監(jiān)測，火電、水電、風電、核電等領域大型電力設施的監(jiān)測，高速公路、高速鐵路/地鐵、機場道面的智能監(jiān)測等。但面臨著這些主要問題：

● 極端工作條件下，光纖光柵傳感器本身及其熔接組網(wǎng)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(huán)境下的耐受能力較弱等；

● 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(tǒng)一的工業(yè)標準，極大限制了其發(fā)展應用。

而FBG陣列傳感技術(shù)自2003年提出至今已接近20年。目前國際上三家機構(gòu)的相關(guān)工作最具代表性：國外的德國萊布尼茨光子技術(shù)研究所（IPHT）、比利時FBGS公司，以及國內(nèi)的武漢理工大學光纖傳感技術(shù)國家工程實驗室姜德生院士團隊（實現(xiàn)了單根光纖幾十萬個光纖光柵陣列的工業(yè)化生產(chǎn)，其已在交通、電力、石化等領域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模應用，為多個行業(yè)的智能化發(fā)展提供了新的傳感手段和方法），目前仍然面臨著以下主要問題：

●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(guān)鍵技術(shù)、規(guī)?；a(chǎn)工藝與工程安裝規(guī)范；

●結(jié)合實際應用場景需要的光纖光柵陣列海量傳感大數(shù)據(jù)的實時采集、存儲、處理以及人工智能模式識別；

●面向大型基礎設施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和重點行業(yè)領域安全監(jiān)測的基礎數(shù)據(jù)庫/樣本庫建設、專家系統(tǒng)與智能化功能平臺開發(fā)。

3、光纖陀螺技術(shù)

光纖陀螺是一種基于Sagnac效應的光纖旋轉(zhuǎn)傳感器，是光纖和光波器件組成的全固態(tài)結(jié)構(gòu)，無運動部件、重量輕、可靠性高、配置靈活，通過優(yōu)化設計可實現(xiàn)高精度、低成本，是目前慣性技術(shù)領域的主流陀螺儀表。

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。近年來，研究人員將空芯光纖用于光纖諧振環(huán)，為諧振型光纖陀螺的發(fā)展創(chuàng)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(shù)的研發(fā)過程堪稱為一種典型的新技術(shù)研發(fā)范例。1976-1986年為光纖陀螺的迅速發(fā)展時期，在此期間干涉型開環(huán)和閉環(huán)方案被提出，并研究出有源、無源和集成諧振陀螺等，發(fā)明了對稱繞環(huán)技術(shù)，研發(fā)了保偏光纖、超輻射發(fā)光二極管（SLD）光源、集成光學調(diào)制器等。1987-1996年，大功率、光譜穩(wěn)定的摻鉺光纖光源被提出，強度噪聲相關(guān)理論和抑制技術(shù)得到充分的研究，這支撐了高精度光纖陀螺的發(fā)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(shù)研究主要集中在提高精度、降低噪聲、抑制溫度誤差和新方案、新應用等方面。

隨著技術(shù)、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。光纖陀螺技術(shù)已達到較高的成熟度，目前該項技術(shù)的關(guān)鍵器件已經(jīng)能夠全部實現(xiàn)國產(chǎn)化。系列化的光纖陀螺產(chǎn)品已在海、陸、空、天等領域大量使用，并形成了配套的產(chǎn)業(yè)群和較大的市場規(guī)模。但面向超高精度慣性系統(tǒng)和大規(guī)模低成本應用需求，需要突破如下主要問題：

●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；

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

●諧振型光纖陀螺具有獨特的優(yōu)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(shù)；

●為控制光纖陀螺的制作成本、提高生產(chǎn)效率，關(guān)鍵工藝、裝備和關(guān)鍵參數(shù)在線監(jiān)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；

●光纖陀螺具有低成本、大批量生產(chǎn)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(guān)的批產(chǎn)工藝。

4、光纖水聽器技術(shù)

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(xiàn)對水聲信號的高精度測量（圖1）。相比于傳統(tǒng)水聽器，光纖水聽器具備靈敏度高、動態(tài)范圍大、抗電磁干擾、耐惡劣環(huán)境、結(jié)構(gòu)靈巧、易于遠程傳輸和大規(guī)模成陣等優(yōu)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。

圖1 光纖水聽器探頭和陣列實物圖

自1977年美國海軍實驗室發(fā)表關(guān)于光纖水聽器的首篇論文后，各發(fā)達國家便積極開展了對光纖水聽器的研發(fā)。我國光纖水聽器技術(shù)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(guān)鍵光纖器件與光纖水聽器系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破，并于2000年進行了國內(nèi)首次光纖水聽器海試以來，國內(nèi)多家單位對光纖水聽器技術(shù)進行了研究并取得一系列成果，目前光纖水聽器技術(shù)已經(jīng)在多個領域?qū)崿F(xiàn)了應用。

我國光纖水聽器技術(shù)克服了從基礎理論到實際應用的一系列難題，已經(jīng)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(zhàn)。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(xiàn)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。

光纖水聽器朝著遠程化方向發(fā)展，其所能容納的光纖對數(shù)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(tǒng)的復用規(guī)模和傳輸距離受到很大限制。

水下目標噪聲集中于100 Hz以下的頻段，如何在較大的海洋噪聲背景下實現(xiàn)光纖水聽器對水下目標的有效探測是目前的技術(shù)難點。

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(jié)構(gòu)、提高了可靠性，但噪聲抑制能力及水聲信號檢測穩(wěn)定性需進一步提高。

5、分布式布里淵光纖傳感技術(shù)

分布式布里淵光纖傳感可以實現(xiàn)溫度和應變等參數(shù)在空間上的連續(xù)測量，監(jiān)測距離可達百公里，監(jiān)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(tǒng)點式傳感器不可比擬的優(yōu)勢。經(jīng)過多年的發(fā)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(jiān)測，以及山體滑坡和路面沉降等地質(zhì)災害的監(jiān)測預警等領域獲得了廣泛的應用，如圖2所示。

圖2 分布式布里淵光纖傳感用于基礎設施監(jiān)測示意圖

經(jīng)過多年的發(fā)展，基于后向受激布里淵散射的傳統(tǒng)分布式光纖傳感器性能得到了大幅提升，空間分辨率已經(jīng)從米量級提升至厘米（時域）和毫米（相關(guān)域）量級，測量時間已經(jīng)從分鐘量級降低到毫秒甚至微秒量級，測量距離已經(jīng)超過100 km。此外，基于布里淵動態(tài)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(guān)注。布里淵動態(tài)光柵傳感可以實現(xiàn)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(xiàn)光纖外部環(huán)境物質(zhì)鑒別。

基于后向受激布里淵散射的傳統(tǒng)分布式光纖傳感器主要朝以下三個方面發(fā)展：

1、高空間分辨率、超快測量和超長距離；

2、布里淵動態(tài)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(shù)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。

目前分布式布里淵光纖傳感技術(shù)在實際應用中面臨的挑戰(zhàn)性問題和難點包括：

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

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

●進行多參量測量的同時消除各參量之間的串擾；

●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(xiàn)分布式傳感帶來了挑戰(zhàn)；

●小型化、高可靠儀器是在多領域推廣應用的重要前提。

6、Φ-OTDR/DAS光纖傳感技術(shù)

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(diào)后向瑞利散射光的強度或相位信息，可實現(xiàn)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(diào)型Ф-OTDR技術(shù)【也稱為光纖分布式聲波傳感（DAS）技術(shù)】在研發(fā)與應用方面均取得了重大進展。該技術(shù)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(yōu)點，已成功應用于地震信號監(jiān)測、油氣資源勘探、管線安全監(jiān)測等領域。圖3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(lián)合研制的超靈敏光纖分布式聲波傳感(uDAS)地震儀架構(gòu)示意圖和實物照片。

圖3 uDAS地震儀架構(gòu)示意圖及實物圖?！緢D片由中油奧博(成都)科技有限公司提供】

2014年是 Φ-OTDR/DAS 技術(shù)的發(fā)展爆發(fā)期；2019年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(shù)十個油田獲得規(guī)?；瘧?，所得成果入選中國石油“2019年十大科技進展”?？傮w來看，目前Ф-OTDR/DAS技術(shù)正處于快速發(fā)展時期，有望在未來5年內(nèi)達到巔峰，成為新一代的分布式聲波（振動）傳感技術(shù)，具有不可替代性。然而，目前該技術(shù)仍存在以下問題：

●靈敏度仍有待提升；

●目前僅能感知外界擾動，無法判斷其方向，實現(xiàn)三分量聲波分布式傳感是一個難點；
●傳感距離仍有待增加，實現(xiàn)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(zhàn)；

●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(xiàn)無損探傷極具挑戰(zhàn)；

●檢測識別精度有待提升，改進復雜環(huán)境噪聲下弱信號的高精度檢測識別AI算法是一個難點。

7、OFDR光纖傳感技術(shù)

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

OFDR技術(shù)的發(fā)展包括硬件和信號處理兩個主要方向。硬件系統(tǒng)方面，主要朝著掃頻光源技術(shù)方向發(fā)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(xiàn)分布式檢測。

OFDR技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其基本原理已經(jīng)得到了深入研究，并出現(xiàn)了一些商業(yè)產(chǎn)品。目前限制該技術(shù)推廣的主要瓶頸在于掃頻光源較難實現(xiàn)且信號技術(shù)處理較難優(yōu)化。

●高性能OFDR技術(shù)需要大掃頻范圍與低相位噪聲的光源，目前只有機械調(diào)諧外腔二極管激光器才能同時實現(xiàn)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；

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

●基于電流直接調(diào)制的半導體激光器能夠以低成本實現(xiàn)數(shù)GHz至數(shù)十GHz的調(diào)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；

●實時相位噪聲補償算法及信號分析均需要大量的數(shù)據(jù)運算，算法的優(yōu)化及專用處理電路的開發(fā)還需要加強。

二、若干典型領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(wèi)生、環(huán)境保護、醫(yī)學等領域的發(fā)展，對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、光離子化探測等，在測量精度、動態(tài)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。

傳統(tǒng)的光譜學氣體傳感器由分立的光學元件構(gòu)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、無需標記等優(yōu)點。尤其是，微納結(jié)構(gòu)光纖柔性好，可實現(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(shù)向?qū)嵱没较虬l(fā)展，便于實現(xiàn)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(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。

首次應用微納結(jié)構(gòu)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(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(tài)范圍的增大、系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高及實用化方面取得了令人矚目的進展，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

目前在實驗室條件下，微納結(jié)構(gòu)光纖氣體傳感器已經(jīng)實現(xiàn)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，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穩(wěn)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。

●光學解調(diào)技術(shù)。光學干涉相位檢測系統(tǒng)需具有高靈敏、大動態(tài)范圍、穩(wěn)定、小型化和低成本的特點。

●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)

如果想要對一個動態(tài)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(guān)鍵。近年來，基于光纖形狀的傳感方法受到了學術(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，它允許對形狀進行連續(xù)、動態(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、嵌入能力強等特點，可以很好地附著在被監(jiān)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。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(tǒng)的幾個關(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

實際應用中，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行組合，并使用布里淵光時域反射技術(shù)監(jiān)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(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，來實現(xiàn)較高精度的三維形狀感測。其中，該技術(shù)在醫(yī)療領域最具有發(fā)展?jié)摿Α?

光纖三維形狀傳感技術(shù)的發(fā)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(jié)構(gòu)物相結(jié)合的方式實現(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，接近實際應用的水平。國內(nèi)有多家單位相繼開展了有關(guān)研究，桂林電子科技大學所研制的基于多芯光纖光柵三維形狀傳感系統(tǒng)具有動態(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)，近年來逐步應用于若干領域，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)算法都有待于進一步的改進。

●多芯光纖及其光器件還沒有統(tǒng)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，對于煤礦井下易燃易爆氣體監(jiān)測和長距離多點巷道圍巖變形、巖石應力等在線監(jiān)測具有獨特優(yōu)勢。

近二十年來，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(guī)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(wěn)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(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)升級技術(shù)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(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(qū)自燃發(fā)火隱患在線監(jiān)測及預警定位方面展現(xiàn)了獨特的作用，解決了采空區(qū)火災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過程，現(xiàn)已在全國數(shù)百個煤礦中對采空區(qū)和膠帶運輸系統(tǒng)進行火災隱患監(jiān)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(fā)展空間。隨著中紅外半導體激光器技術(shù)的發(fā)展，煤礦火災監(jiān)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則在于，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。

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)。隨著近幾年的迅猛發(fā)展，國內(nèi)各油田公司已加大對該技術(shù)的市場化推廣力度，目前該技術(shù)已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展規(guī)模。目前光纖傳感技術(shù)已廣泛應用于油田測井各個領域，用于監(jiān)測井下溫度、壓力、聲波、流量等，可有效分析油田儲層動用情況，指導油氣開發(fā)方案設計與調(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)營者更清晰地認識油藏區(qū)塊，以實現(xiàn)有效開發(fā)。傳統(tǒng)的測溫傳感器只能在某個時間內(nèi)檢測間斷點的溫度；而光纖分布式溫度傳感技術(shù)可以實現(xiàn)在全井范圍內(nèi)連續(xù)且長時間的溫度監(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，無法實現(xiàn)目標井全生命周期的監(jiān)測。所以，加大高溫耐氫損光纖的研發(fā)和試驗力度，在關(guān)鍵技術(shù)上力爭突破是一個迫切的問題。

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現(xiàn)對油井中壓力的監(jiān)測，該方法具有抗干擾能力強、安全性高、長期工作穩(wěn)定等優(yōu)點，因此在井下監(jiān)測中得到廣泛應用，其應用場景如圖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進行測量的DAS技術(shù)，是近幾年光纖測井領域的最前沿技術(shù)。為達到最好的監(jiān)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，還需要進一步提高低頻甚至超低頻信號采集性能，并面臨著數(shù)據(jù)預處理、降噪及人工智能特征提取時，數(shù)據(jù)量大，算法復雜的問題；以及油氣井的生產(chǎn)過程中，聲波信號微弱、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)受到了學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，得到了國內(nèi)外諸多學者的深入研究，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(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:

●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，限制了應用開發(fā)的速度。

●復合結(jié)構(gòu)中的不同種光纖間的低損耗熔接技術(shù)，是實現(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)算法還有待進一步完善。

三、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，這是因為需求牽引著學術(shù)技術(shù)化，市場驅(qū)動著技術(shù)工程化。在這個信息技術(shù)發(fā)展急速變化的時代，已經(jīng)很少有機會能夠有較多的時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？如何應對快速發(fā)展變化的相關(guān)產(chǎn)業(yè)？這些問題對各個高校的人才培養(yǎng)方式提出了新的挑戰(zhàn)。

從市場的邏輯出發(fā)，需求牽引著市場擴展，市場驅(qū)動著技術(shù)的進步。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，就能得到市場更多的投入，該項技術(shù)本身才能得到更快的發(fā)展與進步。

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用場景細分，而且能夠滿足各種應用的支撐性技術(shù)也各不相同，這樣的現(xiàn)實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。

時至今日，我國光纖傳感技術(shù)正處于一個高速發(fā)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(yè)級骨干企業(yè)的崛起，以實現(xiàn)細分市場的整合，完成基礎層高可靠性、低成本、規(guī)模化的關(guān)鍵材料與器件的供給。這些供給包括三個內(nèi)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(yè)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(yè)企業(yè)的發(fā)展，它們是活躍在各個應用終端的工程應用型企業(yè)，能夠與各個傳統(tǒng)應用領域深度緊密結(jié)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，通過這兩類企業(yè)的分工協(xié)作，以及技術(shù)市場風投資本的投入不斷加大，我國光纖傳感產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)的高速成長期已經(jīng)來臨。