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我国光纤传感技术发展路线:关键技术发展现状(一)

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vhongbo 发表于 2022-9-24 10:39:18 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
光纤传感技术经过四十多年的学术研究与技术发展,在近几年形成了加速发展的趋势,其原因主要有两个:一是光纤传感技术已经在若干实际场景中获得了大量应用;二是微纳技术、材料技术及生物技术的发展和应用,也为光纤传感技术提供了许多交叉感测的新方法。我国经济的快速发展不仅为光纤传感技术的实际应用提供了广阔的市场,同时也助推了这一领域基础研究的繁荣与进步。下面我们来看看光纤传感若干关键技术的发展路径。
1.特种光纤及器件
近年来,特种光纤及其传感器件的快速发展,有力地推动了光纤传感技术水平迈上新台阶。光纤传感器与传统的各类传感器相比,具有一系列独特的优点,如电绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、非侵入、高灵敏度、形状可绕曲、耐腐蚀、防爆、容易实现对被测信号的远距离监控等。
随着物联网的兴起和5G技术的大规模商用化,应用于传感系统的特种光纤及器件也将迎来蓬勃的发展。光纤应用于传感领域也经历了一系列的技术变革,为满足不同的应用环境,特种传感光纤技术的发展也从更小尺寸的集成化向更适用于恶劣环境的技术方向发展,光纤传感实用化也取得了长足的进步。
特种光纤主要包括抗弯曲光纤、保偏光纤、耐高温光纤、抗辐射光纤、旋转光纤、瑞利散射增强光纤等。
1)抗弯曲光纤,弯曲损耗低,机械强度高,适合小尺寸振动环绕制,在光纤水听器上有重要应用。单个水听器很难获得目标的详细信息,需要布放成百上千个探测基元组成大的探测阵列,来实现对水下目标的定位与指向。对于大规模的布放,要求探测阵列及传输光缆体积小、重量轻、易于收放。因此,要求作为水听器用的传感光纤的几何尺寸小型化,能耐受更小的弯曲半径,且具有更低的弯曲损耗。抗弯光纤也经历了几何尺寸逐步减小、宏弯损耗逐步降低、弯曲机械可靠性逐步提高的发展历程,其极限弯曲半径已经达到了5 mm,最大宏观弯曲损耗小于0.01 dB/turn。
2)保偏光纤,可产生强双折射效应、可以保持某一方向线偏振的入射光束的偏振态,常应用于光纤陀螺。目前对于光纤陀螺应用领域,脱骨架小型化、高精度是发展趋势,保偏光纤也经历了更小几何尺寸、更小可弯曲直径、更稳定的全温性能等发展历程,光纤尺寸从125/250 μm(表示包层、纤芯直径分别为250 μm 125 μm)、80/170 μm,80/135 μm,发展到60/100 μm,现阶段纤芯直径已开始向40 μm的尺寸发展。
3)耐高温光纤,采用特种耐高温聚酰亚胺涂料涂敷,耐受温度达300 ℃,主要用于分布式光纤测温系统,如火灾监测、管道泄漏检测等特殊环境。
4)抗辐射光纤,主要用于太空或核电等辐照环境的通信及传感。光纤中掺杂的稀土元素在受到太空中高能粒子的辐照时,会引起辐致暗化效应,从而造成光纤损耗的急剧增加,因此需要研制适用于辐照环境的特种光纤。现阶段的抗辐射光纤主要从掺杂材料优化、光纤预处理、后处理工艺等多个方向不断地降低辐致衰减指标。
5)旋转光纤,具有极为突出的抗环境干扰能力,主要应用于基于法拉第磁光效应的光纤电流互感器。目前,比较成熟的旋转光纤是通过在拉丝过程中旋转预制棒制备而成。通过对扭转速率的优化设计,可以很大程度地消除光纤弯曲造成的线性双折射的影响,且旋转光纤的机械强度较高,工艺一致性稳定,极大地提高了产品的稳定性,已应用于电力、冶金等领域。
6)瑞利散射增强光纤,主要用于基于瑞利散射的分布式传感系统中,如Φ-OTDR传感系统。
与通信不同,光纤传感应用往往伴随了一些特殊的应用环境。随着我国各个行业的发展,物理感知层的传感需求也随之而来,例如:光纤陀螺、光纤水听器、光纤电流互感器等对保偏光纤及其器件的需求,核电站及空间探测领域对抗辐射光纤及器件的需求等,这些需求不仅对传感光纤的性能提高起到了促进作用,也对市场产生了强劲的拉动作用。
然而,在特种光纤应用环境中,不同的应用方向对光纤的要求各不相同,实现更高技术水平对光纤的各项指标也提出了独特的技术要求。特种光纤在传感领域的应用已经相当广泛,并且在大部分领域均有不可替代的作用,如抗弯光纤在小型化水听器中的应用、细径保偏光纤在高精度陀螺中的应用等。随着传感技术的更新,实际应用对各种特种光纤的指标也提出了新的要求。
光纤是光纤传感技术的载体,随着未来新光纤传感技术的出现以及现有传感技术的升级换代,必将产生新的光纤类型以及更高技术要求的各类传感光纤。
2.光纤布拉格光栅传感技术
光纤布拉格光栅(FBG)是业界公认的种类最多、商用化程度最高、应用领域最广泛的一类光纤传感技术。同其他光纤传感技术相比,FBG的传感信号强、精度高、响应快,不受光源波动和链路损耗变化的影响,抗干扰能力强;通过合理地设计与封装,单个传感器可达到很强的环境耐受能力,同时具有组网复用方式灵活多样的特点。
FBG阵列传感作为新一代光纤光栅传感技术,有机结合了传统“分立式光纤光栅传感”与“分布式光纤传感”各自的优势,是实现大容量、高精度、高密度、长距离、高可靠性光纤传感网络的最有效途径。
光纤的光敏特性早在1978年就被发现,但是直到20世纪90年代,在光纤通信领域和光纤传感领域的一系列里程碑式的技术进步才使FBG的商用化得到快速发展。表1概括描述了光纤布拉格光栅传感技术的发展历程。
表1 光纤布拉格光栅传感技术的发展简表

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分立式FBG传感器开始商用至今已有30多年的历史,该项技术的关键器件已经全部实现国产化,并在众多领域得到广泛应用,包括桥梁、隧道、边坡、大坝等大型建筑的监测,石油天然气领域的监测,火电、水电、风电、核电等领域大型电力设施的监测,高速公路、高速铁路/地铁、机场道面的智能监测等。但面临着这些主要问题:
  • 极端工作条件下,光纤光栅传感器本身及其熔接组网的可靠性较低,例如油气井下耐高温高压以及抗氢损的能力、核辐照环境下的耐受能力较弱等;
  • 分立式光纤光栅传感器种类繁多、适用场景广泛,目前仍缺少统一的工业标准,极大限制了其发展应用。
而FBG阵列传感技术自2003年提出至今已接近20年。目前国际上三家机构的相关工作最具代表性:国外的德国莱布尼茨光子技术研究所(IPHT)、比利时FBGS公司,以及国内的武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室姜德生院士团队(实现了单根光纤几十万个光纤光栅阵列的工业化生产,其已在交通、电力、石化等领域实现大规模应用,为多个行业的智能化发展提供了新的传感手段和方法),目前仍然面临着以下主要问题:
  • 面向诸多实际应用场景的光纤光栅阵列传感光缆的成缆关键技术、规模化生产工艺与工程安装规范;
  • 结合实际应用场景需要的光纤光栅阵列海量传感大数据的实时采集、存储、处理以及人工智能模式识别;
  • 面向大型基础设施结构健康监测和重点行业领域安全监测的基础数据库/样本库建设、专家系统与智能化功能平台开发。
3.光纤陀螺技术
光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的光纤旋转传感器,是光纤和光波器件组成的全固态结构,无运动部件、重量轻、可靠性高、配置灵活,通过优化设计可实现高精度、低成本,是目前惯性技术领域的主流陀螺仪表。
谐振型光纤陀螺的光纤谐振腔短,具有激光陀螺的可靠性高、精度高、易于维护、寿命长的特点,具有重要的应用潜力。近年来,研究人员将空芯光纤用于光纤谐振环,为谐振型光纤陀螺的发展创造了条件,使其成为一个比较活跃的研究领域。
光纤陀螺技术的研发过程堪称为一种典型的新技术研发范例。1976-1986年为光纤陀螺的迅速发展时期,在此期间干涉型开环和闭环方案被提出,并研究出有源、无源和集成谐振陀螺等,发明了对称绕环技术,研发了保偏光纤、超辐射发光二极管(SLD)光源、集成光学调制器等。1987-1996年,大功率、光谱稳定的掺铒光纤光源被提出,强度噪声相关理论和抑制技术得到充分的研究,这支撑了高精度光纤陀螺的发展,干涉型光纤陀螺的精度达到0.0003 (°)/h,光纤陀螺开始进入实际应用。近年来,光纤陀螺技术研究主要集中在体高精度、降低噪声、抑制温度误差和新方案、新应用等方面。
随着技术、器件和工艺的成熟,以及应用领域的不断拓展,市场对中精度光纤陀螺的需求逐年上升。光纤陀螺技术已达到较高的成熟度,目前该项技术的关键器件已经能够全部实现国产化。系列化的光纤陀螺产品已在海、陆、空、天等领域大量使用,并形成了配套的产业群和较大的市场规模。但面向超高精度惯性系统和大规模低成本应用需求,需要突破如下主要问题:
  • 面向长航时高精度惯性导航和高灵敏度、低噪声行星地震学六分量地震长期观测需求,高精度光纤陀螺的性能指标还有较大差距;
  • 由温度及其变化引入的漂移和噪声,是影响光纤陀螺现场应用性能的主要因素,已有的技术效果有限,期待实用有效的方案和技术;
  • 谐振型光纤陀螺具有独特的优势,具有很大的应用潜力,目前尚处于原理样机研究阶段,未形成实用的方案和技术;
  • 为控制光纤陀螺的制作成本、提高生产效率,关键工艺、装备和关键参数在线监测和控制等方面还存在一些不明确的问题需要揭示和解决;
  • 光纤陀螺具有低成本、大批量生产的应用潜力,但尚缺合适的定型方案、低成本光纤材料、器件和相关的批产工艺。
4.光纤水听器技术
光纤水听器是一种以光纤为信息传输和传感媒介的新型传感器,它通过高灵敏度的光学相干检测,可实现对水声信号的高精度测量(图1)。相比于传统水听器,光纤水听器具备灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构灵巧、易于远程传输和大规模成阵等优点,在水下目标探测、石油天然气勘探、地震检测等军事和民用领域都具有重要应用。
7e66e9be3aff43f09bd145fe124e0aae.png 图1 光纤水听器探头和阵列实物图
自1977年美国海军实验室发表关于光纤水听器的首篇论文后,各发达国家便积极开展了对光纤水听器的研发。我国光纤水听器技术自提出至今已超过20年。自20世纪90年代末期,国防科技大学在关键光纤器件与光纤水听器系统关键技术方面取得突破,并于2000年进行了国内首次光纤水听器海试以来,国内多家单位对光纤水听器技术进行了研究并取得一系列成果,目前光纤水听器技术已经在多个领域实现了应用。
我国光纤水听器技术克服了从基础理论到实际应用的一系列难题,已经在若干领域进入了应用阶段,但在以下方面仍面临着巨大挑战。光纤水听器的应用朝着深海领域拓展,如何在深海高静水压的恶劣条件下实现光纤水听器的高灵敏度和低本底噪声是需要重点考虑的问题。
  • 光纤水听器朝着远程化方向发展,其所能容纳的光纤对数有限,长距离光纤传输还引入了严重的非线性效应,使光纤水听器系统的复用规模和传输距离受到很大限制。
  • 水下目标噪声集中于100 Hz以下的频段,如何在较大的海洋噪声背景下实现光纤水听器对水下目标的有效探测是目前的技术难点。
  • 单光纤分布式光纤水听器相比于分立式干涉型光纤水听器,大大简化湿端结构、提高了可靠性,但噪声抑制能力及水声信号检测稳定性需进一步提高。
5.分布式布里渊光纤传感技术
分布式布里渊光纤传感可以实现温度和应变等参数在空间上的连续测量,监测距离可达百公里,监测点位可达百万个,在大范围、长距离和大容量传感方面具有传统点式传感器不可比拟的优势。经过多年的发展,分布式布里渊光纤传感在油气管道、高压输电线和桥梁等大型基础设施的健康监测,以及山体滑坡和路面沉降等地质灾害的监测预警等领域获得了广泛的应用,如图2所示。
58b4b98f67464823971a2b769da1dd50.jpeg 图2 分布式布里渊光纤传感用于基础设施监测示意图
经过多年的发展,基于后向受激布里渊散射的传统分布式光纤传感器性能得到了大幅提升,空间分辨率已经从米量级提升至厘米(时域)和毫米(相关域)量级,测量时间已经从分钟量级降低到毫秒甚至微秒量级,测量距离已经超过100 km。此外,基于布里渊动态光栅和前向受激布里渊散射的新型分布式传感机制在近几年得到了极大关注。布里渊动态光栅传感可以实现更多参量(包括温度、应变、盐度、静压力和横向压力等)的测量,前向受激布里渊散射可以实现光纤外部环境物质鉴别。
基于后向受激布里渊散射的传统分布式光纤传感器主要朝以下三个方面发展:
  • 高空间分辨率、超快测量和超长距离;
  • 布里渊动态光栅传感主要用于多参量测量;
  • 前向受激布里渊散射传感技术方兴未艾,探索分布式测量方案和提高传感性能是目前主要的研究方向。
目前分布式布里渊光纤传感技术在实际应用中面临的挑战性问题和难点包括:
  • 利用无中继放大实现150~200 km测量距离对于铁路、电网和油气管道监测具有重要意义;
  • 融合布里渊散射、拉曼散射和瑞利散射实现更高性能和更丰富功能传感以满足一些特殊场合应用;
  • 进行多参量测量的同时消除各参量之间的串扰;
  • 前向受激布里渊散射中的泵浦光和斯托克斯光同向传输,因此无法直接利用飞行时间进行定位,这为实现分布式传感带来了挑战;
  • 小型化、高可靠仪器是在多领域推广应用的重要前提。
6.Φ-OTDR/DAS光纤传感技术
Ф-OTDR利用光纤中的相干后向瑞利散射光进行传感,通过解调后向瑞利散射光的强度或相位信息,可实现高灵敏振动/声波分布式探测。
近年来,可定量还原外界振动/声波信息的相位解调型Ф-OTDR技术【也称为光纤分布式声波传感(DAS)技术】在研发与应用方面均取得了重大进展。该技术具有传感容量大、感知距离远、采集效率高、运行成本低、使用寿命长等突出优点,已成功应用于地震信号监测、油气资源勘探、管线安全监测等领域。图3为电子科技大学与中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司联合研制的超灵敏光纤分布式声波传感(uDAS)地震仪架构示意图和实物照片。
b5b111150fc345e78f1e1381bf46e519.png 图3 uDAS地震仪架构示意图及实物图。【图片由中油奥博(成都)科技有限公司提供】
2014年是 Φ-OTDR/DAS 技术的发展爆发期;2019年uDAS光纤分布式地震仪通过了中国石油集团组织的成果鉴定,整体达到国际领先水平,在数十个油田获得规模化应用,所得成果入选中国石油“2019年十大科技进展”。总体来看,目前Ф-OTDR/DAS技术正处于快速发展时期,有望在未来5年内达到巅峰,成为新一代的分布式声波(振动)传感技术,具有不可替代性。然而,目前该技术仍存在以下问题:
  • 灵敏度仍有待提升;
  • 目前仅能感知外界扰动,无法判断其方向,实现三分量声波分布式传感是一个难点;
  • 传感距离仍有待增加,实现低噪声的分布式光放大以提升信噪比、增加传感距离极具挑战;
  • 频响范围较小,将百米级距离频响范围拓展至超声波段以实现无损探伤极具挑战;
  • 检测识别精度有待提升,改进复杂环境噪声下弱信号的高精度检测识别AI算法是一个难点。
7.OFDR光纤传感技术
光反射探测技术是分布式光听器的基础,OFDR技术相对于OTDR技术在空间分辨率与动态范围方面具有明显的优势,是亚毫米到分米级分辨率的分布式传感系统的主要实现方案,不仅适用于中短距光纤网络和光器件的状态监测,而且该技术结合光纤光栅光谱或瑞利后向散射信号的分析,可实现温度、应变、振动、形状等外界物理参量的检测。此外,OFDR技术是高性能的激光雷达和光学相干层析(OCT)等技术的重要实现方法。
OFDR技术的发展包括硬件和信号处理两个主要方向。硬件系统方面,主要朝着扫频光源技术方向发展;信号处理方面,主要利用后处理方法补偿扫频激光的相位噪声,以及通过分析后向瑞利散射特征实现分布式检测。
OFDR技术经过几十年的发展,其基本原理已经得到了深入研究,并出现了一些商业产品。目前限制该技术推广的主要瓶颈在于扫频光源较难实现且信号技术处理较难优化。
  • 高性能OFDR技术需要大扫频范围与低相位噪声的光源,目前只有机械调谐外腔二极管激光器才能同时实现100 nm级的扫频范围与100 kHz级瞬时线宽,而这种激光器的成本难以降低,使用寿命难以延长;
  • 基于稳频激光和外调制方式的扫频光源的波长调谐范围比较小,高阶边带调制、非线性效应扩频等技术实现复杂,且调制范围仍然很难超过几个纳米水平;
  • 基于电流直接调制的半导体激光器能够以低成本实现数GHz至数十GHz的调谐范围,但相位噪声与扫频非线性特性较差,需要研究其改进方案;
  • 实时相位噪声补偿算法及信号分析均需要大量的数据运算,算法的优化及专用处理电路的开发还需要加强。
关于典型领域中的光纤传感技术的应用情况,我们将在下一篇详细介绍。
本文作者:
苑立波1,童维军2,江山3,杨远洪4,孟洲5,董永康6,饶云江7, 何祖源8,靳伟9,刘统玉10,邹琪琳11,毕卫红12
1桂林电子科技大学电子工程与自动化学院光子学研究中心
2长飞光纤光缆股份有限公司光纤光缆制备技术国家重点实验室
3武汉理工光科有限股份公司
4北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
5国防科技大学气象海洋学院
6哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室
7电子科技大学信息与通信工程学院光纤传感与通信教育部重点实验室光纤光学研究中心
8上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室
9香港理工大学电机工程系
10山东省光纤传感技术重点实验室,齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省科学院激光研究所
11北京知觉科技有限公司
12燕山大学信息科学与工程学院,河北省特种光纤与光纤传感重点实验室





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