新一代光纖智能傳感網(wǎng)技術(shù)進(jìn)展

劉鐵根　張旭蘋　賈波等

摘 要：新一代光纖智能傳感網(wǎng)是一項(xiàng)涵蓋領(lǐng)域較為廣泛的綜合性技術(shù)，主要包括微結(jié)構(gòu)光纖傳感、基于非線性光學(xué)散射的光纖傳感、基于光纖擾動的光纖傳感、傳感網(wǎng)的優(yōu)化及應(yīng)用技術(shù)四個方面。燕山大學(xué)、天津大學(xué)研制了不同類型的光子晶體光纖傳感器，可用于生物化學(xué)方面檢測。中國計量學(xué)院、南京大學(xué)開展了基于非線性光學(xué)散射的光纖系統(tǒng)研究，并在實(shí)際工程中得到應(yīng)用。復(fù)旦大學(xué)、天津大學(xué)、上海理工大學(xué)針對光纖擾動的理論、算法等方面進(jìn)行了研究。天津大學(xué)開展了光纖傳感網(wǎng)優(yōu)化及應(yīng)用的研究，并在實(shí)際中得到應(yīng)用。該文簡要介紹了上述科研機(jī)構(gòu)在光纖智能傳感網(wǎng)技術(shù)方面取得的進(jìn)展，為廣大科研工作者進(jìn)行相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：光纖傳感 光纖傳感網(wǎng) 微結(jié)構(gòu) 非線性光學(xué) 光纖擾動

中圖分類號：TN523 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（b）-0047-02

光纖傳感技術(shù)因其具有抗電磁干擾、電絕緣、體積小、易成陣列等優(yōu)點(diǎn)，自從問世就受到極大重視[1]。光纖傳感技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，往往是將各種傳感器組成光纖傳感網(wǎng)，對多種信號進(jìn)行測量。但是目前傳感器受結(jié)構(gòu)、工藝束縛，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，光纖傳感網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用范圍受到限制。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各個領(lǐng)域?qū)Ω呔?、多指?biāo)檢測方面需求越來越迫切，這就對光纖傳感檢測系統(tǒng)提出了更高要求。因此，國家將新一代光纖智能傳感網(wǎng)與關(guān)鍵器件基礎(chǔ)研究列為國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃），對關(guān)鍵性原理、器件的研究進(jìn)行重點(diǎn)支持。

新一代光纖智能傳感網(wǎng)是一種具有3S（Smart structure 靈巧結(jié)構(gòu)，Smart components 靈巧器件，Smart skill 靈巧技術(shù)）功能的系統(tǒng)，具有超長距離傳感能力，并且能夠智能的實(shí)現(xiàn)自尋徑、自診斷、自愈等功能。該傳感網(wǎng)的研究主要涉及四個關(guān)鍵性科學(xué)問題：研究微結(jié)構(gòu)中物質(zhì)與光波耦合作用的機(jī)理；研究基于非線性光學(xué)散射效應(yīng)融合的光纖傳感技術(shù)；研究基于光纖擾動理論的光纖傳感技術(shù)；研究光纖智能傳感網(wǎng)的優(yōu)化技術(shù)及其應(yīng)用理論。

1 微結(jié)構(gòu)光纖傳感研究

隨著光纖傳感技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展、應(yīng)用場合空間限制等因素，對光纖傳感器的尺寸及結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，因此需要開展基于新型敏感元件、新原理的光纖傳感研究。目前主要的研究方向?yàn)樾滦凸庾泳w光纖傳感和基于光微流體理論的光纖傳感。

1.1 新型光子晶體光纖傳感

光子晶體光纖（PCF）是一種基于光子晶體特性的新型光纖，主要特點(diǎn)是包層區(qū)有許多平行于光纖軸的微孔。目前大部分光纖傳感器的敏感元件為普通的光纖，因此存在保偏性差、耦合損耗大等問題，而采用光子晶體光纖的傳感器不僅能夠克服上述缺點(diǎn)，還具有調(diào)諧范圍寬、模場面積大、可以多參數(shù)測量等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)報道，目前利用光子晶體光纖傳感器對三聚氰胺的最低檢測濃度可以達(dá)到0.25 g/L，砒啶的最低檢測濃度達(dá)到0.004975%，為公共安全及食品安全領(lǐng)域提供了一個新的檢測方法。

燕山大學(xué)是國內(nèi)最早開展相關(guān)研究的單位之一，在光子晶體光纖的制備與應(yīng)用方面經(jīng)驗(yàn)豐富。燕山大學(xué)的畢衛(wèi)紅、李建萍等[2]研制了一種雙周期光子晶體光纖光柵傳感器，該傳感器可對折射率及溫度進(jìn)行檢測。天津大學(xué)在光子晶體光纖領(lǐng)域也開展了相關(guān)研究[3-4]，研制了靈敏度為2400 nm/RIU的光子晶體光纖傳感器、最高分辨率為4×10-6 RIU的液芯PCF-SPR溫度傳感器和具有可調(diào)諧溫度跳變點(diǎn)的溫敏光開關(guān)。

1.2 基于光微流體理論的光纖傳感

基于光微流體理論的光纖傳感技術(shù)是近些年發(fā)展起來的新興技術(shù)，通過檢測折射率實(shí)現(xiàn)對生物、化學(xué)參量的無標(biāo)記檢測，可以檢測蛋白質(zhì)、DNA、病毒等，在醫(yī)學(xué)、食品檢測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。天津大學(xué)對以微毛細(xì)管為基礎(chǔ)的生物傳感進(jìn)行了深入研究。通過在毛細(xì)管中添加特殊介質(zhì)，并采用在內(nèi)壁涂覆高折射率基質(zhì)層的方法，可以高靈敏度的進(jìn)行傳感檢測。

近年來氣體光纖傳感越來越受到重視，天津大學(xué)的劉琨、劉鐵根等[2]基于L波段EDFA構(gòu)建了光纖內(nèi)腔氣體傳感系統(tǒng)，同時串聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)具和光柵為系統(tǒng)提供波長參考，可以對CO2、CO等氣體進(jìn)行濃度檢測。針對國家在航空航天方面的重大需求，天津大學(xué)研制了基于F-P干涉原理的大氣壓力解調(diào)系統(tǒng)，光纖F-P傳感器[4]采用了MEMS微加工、鍵合封裝等技術(shù)，解調(diào)算法方面，提出了任意極值算法、單色頻域法。該系統(tǒng)有望應(yīng)用于新型戰(zhàn)機(jī)如J20、J15等，替代基于空速管的大氣壓力系統(tǒng)，從而達(dá)到抗電磁干擾、增強(qiáng)機(jī)體隱身性的要求。

2 基于非線性光學(xué)散射效應(yīng)融合光纖傳感研究

光纖的非線性效應(yīng)主要是指拉曼散射效應(yīng)和布里淵散射效應(yīng)。光纖拉曼溫度傳感器可以應(yīng)用于大型土木建筑、隧道、提壩、電力工程等領(lǐng)域。中國計量學(xué)院光電子研究所是國內(nèi)最早開展相關(guān)研究的單位之一。該單位研究的相關(guān)系統(tǒng)[5]已經(jīng)成功應(yīng)用在許多領(lǐng)域，如在日照港卸煤設(shè)備上安裝的光纖溫度傳感網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)監(jiān)測到大型運(yùn)煤翻車機(jī)電機(jī)過熱并進(jìn)行報警，成功避免了火災(zāi)，挽回經(jīng)濟(jì)損失1200余萬元；部分高鐵路段的隧道也應(yīng)用了相關(guān)溫度傳感系統(tǒng)，對隧道內(nèi)溫度實(shí)時監(jiān)測，預(yù)防火警，保障高鐵列車的安全運(yùn)行。

基于布里淵散射的光纖傳感技術(shù)起步比較晚，但是由于其具有可測量多個物理量（溫度、應(yīng)變等）、傳感距離長、易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)，近年來備受關(guān)注。南京大學(xué)的胡君輝、張旭蘋等[6]研究了一種長距自診斷方法，可以在72 km傳感長度實(shí)現(xiàn)損壞自診斷?；诓祭餃Y散射的光纖傳感系統(tǒng)在工程實(shí)際中也被大量應(yīng)用，例如南京市鼓樓隧道應(yīng)變分布式光纖監(jiān)測項(xiàng)目、云南嵩待公路白泥井3號隧道分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測項(xiàng)目[8]。

3 基于光纖擾動的光纖傳感

擾動（振動）是一種典型的動態(tài)變量，在軍事、建筑、交通等各個領(lǐng)域都是一項(xiàng)重要參數(shù)。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及國際競爭的加劇，信息安全建設(shè)的重要性日益凸顯。尤其是2013年6月以來，美國特工斯諾登揭露的“棱鏡門事件”深刻揭示了當(dāng)前信息安全領(lǐng)域存在重大危機(jī)。因此保密場所周界環(huán)境安全監(jiān)控、通信線路的安全監(jiān)控等方面的安全防范措施變得非常重要，光纖擾動技術(shù)則可以滿足這些需求。

光纖擾動及定位傳感網(wǎng)采用的是光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)，整根光纖都作為傳感器，一旦有外界異?，F(xiàn)象（壓力、拉伸、振動等），將會引起光纖中傳輸光的干涉強(qiáng)度變化，通過檢測這些變化可以實(shí)現(xiàn)擾動定位。復(fù)旦大學(xué)、天津大學(xué)、上海理工大學(xué)等高校的科研人員針對光纖擾動系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究。在部分軍事通信光纜、機(jī)場、部隊(duì)駐扎地等場所已經(jīng)應(yīng)用了分布式光纖擾動系統(tǒng)。上海市公安系統(tǒng)也率先應(yīng)用全光纖偵聽設(shè)備進(jìn)行刑事偵查。

4 光纖智能傳感網(wǎng)的優(yōu)化及其應(yīng)用理論研究

隨著光纖傳感技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用，對光纖傳感技術(shù)提出了新的要求：不但需要針對單一指標(biāo)組網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時準(zhǔn)確監(jiān)測、測量，還需要獲得被測對象的全面信息，以便提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性，并能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)自身的自檢自愈。

天津大學(xué)的張紅霞、王舒等提出了一種針對光纖傳感網(wǎng)魯棒性的評價方法。丁振揚(yáng)、姚曉天等采用去斜濾波器補(bǔ)償主干涉拍頻信號中的非線性相位或相位噪聲的方法，使得基于OFDR 技術(shù)的光纖傳感網(wǎng)空間分辨率提高了近100倍。

目前，多種光纖傳感技術(shù)融合的傳感網(wǎng)已經(jīng)在實(shí)際中得到了應(yīng)用。天津大學(xué)針對航天領(lǐng)域大規(guī)模高精度傳感器密集排布以及獨(dú)立空間組網(wǎng)的重大需求，采用光柵光纖溫度測量系統(tǒng)、F-P壓力測量系統(tǒng)以及聲振動測量系統(tǒng)組網(wǎng)，初步完成適應(yīng)熱真空環(huán)境的多參量（溫度、壓力、振動）、多點(diǎn)位、高精度、高密度光纖異構(gòu)智能傳感網(wǎng)的組建。

5 結(jié)論

新一代智能光纖傳感網(wǎng)是未來光纖傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢，在國防軍事、航空航天、土木工程等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。眾多科研機(jī)構(gòu)均開展了不同器件、基于不同原理的光纖傳感技術(shù)研究，并取得了一定的應(yīng)用成果，但是在基于微結(jié)構(gòu)的傳感器設(shè)計、相關(guān)解調(diào)算法、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面還有提升的余地。在國家973計劃等重大科研項(xiàng)目推動下，光纖傳感網(wǎng)技術(shù)將會更加成熟，在各個領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更大的作用，為提升我國在傳感及光電子領(lǐng)域中的自主創(chuàng)新能力、增強(qiáng)我國信息產(chǎn)業(yè)的國際競爭力、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的快速可持續(xù)發(fā)展做出更多更大的貢獻(xiàn)。

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