自20世纪80年代低损耗光纤问世以来，光纤传感技术一直处于传感器技术发展的前沿。光纤传感器本身不带电，具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全、灵敏度高、质量轻、体积小、可嵌入（物体）等优良特点，日益受到关注，并在航空航天、石油化工、电子电力、土木工程、生物医药等领域有着广泛应用前景。

该技术在国内外引发了研究热潮并延续至今，我国近年来尤其重视这一技术的发展，立项了一系列国家级重大、重点研发计划开展相应研究，如国家973计划“新一代光纤智能传感网与关键器件基础研究”、国家重大科学仪器设备开发专项项目“光纤力热复合测试仪开发和应用”、国家自然科学基金重大项目“光纤传感网关键器件与技术研究”等。这些研究取得了丰硕的成果，有力推动了光纤传感技术的发展，相应研究成果已经在生产生活的各个方面获得广泛应用。

光纤传感

分立式与分布式技术形式

光纤传感系统主要由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。其基本原理是将光源的光经入射光纤送入调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态）等发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。

光纤传感的技术形式主要体现为分立式和分布式。其中分立式光纤传感技术利用光纤敏感器件作为传感器来感知被测量的变化，光纤作为光信号的传输通道连接光纤传感器及后端的解调装置；而分布式光纤传感系统基于光纤瑞利散射、拉曼散射或布里渊散射等光学效应，利用光纤本身作为传感器，可对沿途的光信号进行大范围、长距离传感。

分立式光纤传感技术

多点位、多参数、网络化测量

目前在工程应用广泛的光纤光栅传感器主要基于光纤布拉格光栅（FBG），是一种纤芯折射率周期性变化的光纤结构。FBG的布拉格波长对外界变化非常敏感，当FBG所处环境温度、应变发生变化时，FBG的布拉格波长会随之发生漂移，通过对布拉格波长的测量，即可实现对多种物理参量的传感，其传感原理如图1所示。1992年Kersey等人利用FBG设计了微分式光纤温度传感器，其温度传感精度可达0.05℃。2001年，Guo等人采用错位光纤结构，并在光纤上制作光栅结构，可以实现对振动和弯曲的测量。2008年，Xu等人采用FBG进行压力测量，在70 MPa压强下实现3.04×10-3 nm/MPa的测量灵敏度。

图1 光纤Bragg光栅传感原理

如今，光纤光栅传感器已被广泛应用于航空航天、石油电力、化工纺织、建筑结构等民用领域，正成为21世纪“智能结构”、“智能材料”、“智能蒙皮”技术中多点位、多参数、网络化测量的最理想传感方式，拥有巨大的实用价值和极其广阔的发展前景。

其中，在极端环境下的应用是当前FBG传感技术发展的一个重要方向。针对高温检测应用，利用飞秒激光器在蓝宝石光纤上刻写的光栅，可以在高温环境下保持稳定的光栅结构和传感特性，温度检测上限可达1500℃。航天环境复杂多变，温度、真空、辐照等因素均会对解调产生影响。通过复合波长参考的方法进行温漂校正，可实现不同稳态温度条件下的绝对波长解调。

光纤法珀传感技术通过待测量作用于法珀腔产生的腔长变化进行传感。法珀腔为光纤法珀压力传感器的核心敏感元件，入射光在法珀腔的两个端面形成反射，产生干涉信号，干涉信号随着法珀腔长改变而发生变化，通过对干涉信号进行解调实现对待测量传感。按照不同的法珀腔构成方式，可以将光纤法珀待测量传感器分为本征型和非本征型两大类，图2为这两类传感器的典型结构。1991年Murphy等人通过使用环氧树脂将导入光纤、反射光纤分别与准直毛细管固定在一起的方式研制成功非本征型光纤法珀传感器，成为目前应用最为广泛的结构。国内外研究人员对其提出了多种改进方案，主要包括光纤端面直接刻蚀微腔、毛细管封装微腔、基片蚀刻微腔等。

（a）本征型 （b）非本征型

图2 典型光纤法珀传感器结构图

在两类光纤法-珀传感器中，非本征光纤法-珀（EFPI）传感器的应用最为广泛。1996年Morin等使用54个EFPI传感器对Polar Class破冰船螺旋桨叶片进行监测。1999年Osaka Katsuhiko等人将EFPI传感器用于复合材料固化应变监测。2003年Luna Innovations公司的Jennifer Elster等展示了EFPI温度和压力传感器在波音公司飞机健康检测系统的应用。加拿大的菲索（Fiso）公司开发出了多套光纤法-珀应变测量仪，其产品已多次成功用于大坝的应变监测；加拿大的Roctest公司研制的光纤白光F-P传感器用于监测桥梁结构中的应力、应变、结构振动、结构损伤程度、裂缝的发生与发展等内部状态，推出的产品在我国的三峡工程、二滩工程和广西百色工程等新建大坝和旧坝的安全监测工程中获得应用。

美国弗吉尼亚工学院等研制了基于多种光纤法布里−珀罗传感头结构及解调机理的光纤压力、温度、振动、加速度等一系列传感器，并将其应用于石油、电力等工业领域的温度、压力等测量中。

国内清华大学、天津大学、重庆大学、电子科技大学、大连理工大学、北京工业大学、燕山大学、南京师范大学和南京航空航天大学等多家单位也对光纤F-P传感器进行了基础研究和应用研究，但商业化报道不多。天津大学已研制成高精度压力传感器并实现了批量化制作，在此基础上研究了基于压差的光纤法珀温度传感器和基于混合法珀腔结构的压力和温度双参量传感器，如图3所示，实现了高精度压力和温度同时测量。

图3 基于混合法珀腔结构的压力和温度双参量传感器

分布式光纤传感技术

大范围、长距离的全天候传感

分布式光纤传感技术可实现大范围、长距离的全天候传感，主要包含干涉型扰动分布传感、光频域反射仪(OFDR)传感技术、相干光时域反射仪（Φ-OTDR）传感技术、光纤布里渊传感技术、光纤拉曼传感技术等。

干涉型扰动分布传感技术利用光纤作为传感元件，传感光纤上的任一点都具有传感能力，能够满足对数十公里内的扰动行为进行预警、定位。2002年Kizlik首次提出了基于双Mach- Zehnder干涉的分布式扰动定位技术，如图4，在该技术中同一个光纤链路里有沿顺、逆时针两个方向传播的光信号，当有扰动行为发生时，位于光纤链路两端的探测器接收到的干涉信号将有一个时延差，根据时延差可以对扰动点进行定位。

图4 双马赫增德光纤扰动传感系统

2009年Liang等人对系统结构进行了改进，由环形结构变成了直线型，更适用于实际应用。为了提高马赫增德光纤扰动传感系统的应用范围，天津大学提出了一种基于非对称双马赫增德干涉的光纤扰动传感系统，如图5所示，利用不同波长光源+DWDM的组合滤除背向散射噪声，延长传感距离；并设计了应用于非对称系统的高精度定位算法，目前该系统能够在120 km的传感距离下达到±50 m的定位精度。目前，该技术在周界安全监控特别是在国防设施、边防边境等领域，得到了广泛的应用。

图5 非对称双马赫增德原理的光纤扰动传感系统

(a)海底线缆防护 (b)油气管道扰动监测

(c)周界安防应用 (d)铁路安全防护

图6 双Mach-Zehnder型分布式光纤扰动传感技术应用领域

基于光纤中背向瑞利散射的光频域反射技术(Optical Frequency Domain Reflectometry， OFDR)最开始由德国的Eickhoff等人提出，通常使用具有极窄线宽的可调谐激光器作为系统的光源，由扫描光源发出的光被分成两路，分别进入参考臂和被测光纤(Fiber Under Test， FUT)。

在光频域反射技术的研究之初，主要通过该技术进行光纤链路测量，如Uttam等人利用光频域反射技术实现对搭建的基于光纤的光路系统和光纤器件的检测。此前早期的研究中虽然利用光频域反射技术对光纤的测试实现的空间分辨率比较高，可以达到厘米和毫米量级，甚至微米量级，但测试距离还尚短，一般最多都只有十几米的光纤测试长度。伴随着研究的不断深入，研究者们利用光频域反射技术实现的测试距离也不断增加。如天津大学采用去斜滤波技术抑制OFDR非线性相位，实现80 km处反射率为-55 dB菲涅尔反射的测量，空间分辨率达1.6 m，同时将傅里叶变化频域高阶估计与倒谱估计引入去斜滤波技术，精确估算激光器非线性相位，使得空间分辨率达80 cm，其中末端反射点分辨率在抑制非线性相位噪声后提高187倍。

相干光时域反射仪(Φ-OTDR)传感技术能实现长距离、全分布式的振动定位和测量，在国民经济的发展中其优势超越了传统的电传感器、光纤光栅传感器等，具有重要的应用价值和学术价值。1993年，美国TAMU的Taylor等人申请了关于Φ-OTDR的首个美国专利。1994年，Juskatis等人提出利用Φ-OTDR进行入侵（振动）检测。Φ-OTDR的前期研究方向主要集中在其传感机理的研究上。在Φ-OTDR的关键器件研究方面，K. N. Choi等人研究了窄线宽激光器的线宽和频率漂移对系统传感性能的影响，并研制了掺铒光纤激光器，使激光器的性能基本能够满足实用需求。Φ-OTDR是基于光的干涉原理，因此得到与振动信号完全对应的瑞利散射光相位，对于还原振动信号具有重要意义。

2011年，中科院上海光机所的Pan等人提出了利用数字相干探测的方法，实时的解调瑞利散射光的相位，PZT振动实验证明了解调相位与振动信号的对应情况较好，相比直接检测的方式SNR提升显著。2013年南安普顿大学的Masoudi等人利用非平衡M-Z干涉仪，在1km范围内实现了500–5000 Hz的动态应变测量，并在OFS2014 上报道了该系统对声波的响应能力，相比之前的Φ-OTDR，传感性能迈进了一大步。

国内目前开展相关研究工作的单位比较多，电子科技大学、南京大学、哈尔滨工业大学、太原理工大学都在积极开展相关研究工作，并逐步将其推向市场。

图7 Φ-OTDR入侵传感系统结构示意图

布里渊散射是入射光与光纤内的声波相互作用而形成的，是在20世纪初由布里渊提出的，1964年Chiao在实验上发现。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术通过检测布里渊频移来测量温度或应变。

随着技术的不断发展和日益成熟，目前商用化的系统产品相继出现，如日本的Ando公司已开发出基于自发布里渊散射的光纤应变测量仪，应变精度达到±0.01%，空间分辨率1m；Ottawa大学的Bao等人开发出用于大型发电机定子在线监测的高空间分辨率分布式布里渊光纤传感系统，实现了3cm周期的分布式横向位移测量；2010年，南京大学研制出基于布里渊散射的分布式光纤传感系统样机。基于布里渊散射的分布式光纤传感器正朝着高空间分辨率、高测量精度和大测量范围发展。

图8 布里渊散射分布式光纤传感系统原理图

拉曼散射光最早由印度科学家拉曼（Raman）于1928年发现，后来随着激光器的发展，推动了人们对拉曼散射的研究。1981年英国南安普顿大学率先提出其用于分布式光纤传感的设想，并由Hartog等人于1983年研制出相应实验装置。1985年英国Dankin等人使用半导体激光器作为光源，首次进行了基于受激拉曼散射效应的分布式光纤温度传感器测温实验。基于拉曼散射效应的分布式光纤温度传感方案的主要思想是利用光时域反射技术实现定位和利用斯托克斯拉曼散射光强和反斯托克斯拉曼散射光强解调温度，从而得到光纤上温度场信息。中国计量学院在2009年提出的拉曼相关双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器；2010年提出的新型色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温度传感器。

图9 拉曼分布式光纤测温系统原理图

产业发展现状及存在的挑战

光纤传感技术的发展方兴未艾，国内外许多商业公司也都在积极推动传感系统的商业化，根据ElectroniCast的统计分析，截止2017年全球光纤传感器市场可达到38.9亿美元，2018年更是有望突破44.3亿美元。

国内也有很多新兴公司如雨后春笋般涌现出来，由之前仅关注于分立式传感器的制作、封装，逐步转变成可提供包括传感器和解调设备在内的智能光纤传感系统；由只关于传感领域本身，逐步转变成打通并完善包括光源、调制、解调、数据采集等在内的上下游完整产业链；由根据用户需求开发系统，逐步转变成向用户主动提供可定制化的全套解决方案。

随着云计算、云存储、大数据等新技术的诞生，光通讯网络的传输速度和容量不断扩大，以及纳米技术、材料科学的日益发展，光纤传感技术面临着诸多新问题，新挑战，比如对高速度大规模传感网络的需求，对微纳尺度超小超轻传感器的需求，以及面向深空、深海、深地等极端环境的应用需求等等。因此，光纤传感在当今时代，仍然是仍是一个充满挑战的研究领域，在与新材料、新技术的碰撞中，必将迸发出新的生机和活力。

作者：刘铁根，江俊峰，刘琨 天津大学 光纤传感研究所

参考文献

[1]分立式光纤传感技术与系统，电子工业出版社，2012

[2]全分布式光纤传感技术，科学出版社，2013

[3]光纤传感网，科学出版社，2018

[4]分立式与分布式光纤传感若干关键技术研究进展，物理学报，66(7)：070705

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