分布式光纖傳感技術(shù)的特點(diǎn)與研究現(xiàn)狀論述

王 雪，張 宇，張芷源

（沈陽(yáng)城市學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110112）

分布式無(wú)線光纖傳感技術(shù)是目前正在發(fā)展的一項(xiàng)新型檢測(cè)技術(shù)，它的工作原理主要是利用光纖感知接收到一個(gè)信號(hào)并將這個(gè)信號(hào)實(shí)時(shí)傳出并返回，相較于傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)式無(wú)線光纖傳感器主要工作原理而言，分布式無(wú)線光纖傳感技術(shù)可以實(shí)時(shí)測(cè)量前向光纖上成千上萬(wàn)個(gè)散射點(diǎn)的空間溫度和其對(duì)應(yīng)變量等信息，達(dá)到分布式溫度測(cè)量。通過(guò)連續(xù)函數(shù)的具體計(jì)算形式，針對(duì)整個(gè)光纖基層表面各個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度，進(jìn)行相對(duì)精準(zhǔn)的溫度測(cè)量。

1 分布式光纖傳感技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 光纖的損耗特性

當(dāng)光源從光纖的一端射入，另一端射出時(shí)，會(huì)使光的強(qiáng)度大大減弱。這也顯示出當(dāng)光信號(hào)通過(guò)光纖傳播時(shí)，光的能量在一定程度上衰減了。這表明光纖中有些因素阻擋了光信號(hào)的傳輸，這種現(xiàn)象就是光纖的傳輸損耗。如果想要光信號(hào)順利通過(guò)，需要通過(guò)一些方法降低光纖損耗。除此之外，光纖損耗的分類(lèi)主要分為固有損耗和附加損耗。固有損耗包括散射損耗、吸收損耗和因光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的損耗。附加損耗則包括微彎損耗、彎曲損耗和接續(xù)損耗。

1.2 分布式光纖傳感技術(shù)

分布式光纖傳感技術(shù)根據(jù)傳感光類(lèi)型不同可分為散射光傳感和前向光傳感2 類(lèi)。其中，散射光又分為瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射3 類(lèi)?；诓煌鈱W(xué)效應(yīng)的傳感技術(shù)可以檢測(cè)不同的物理參量?；谌鹄⑸涞墓饫w傳感技術(shù)工程上主要用于檢測(cè)振動(dòng)與聲音信號(hào)，基于拉曼散射的光纖傳感技術(shù)工程上主要用于溫度的測(cè)量，而基于布里淵散射的光纖傳感技術(shù)工程上主要用于應(yīng)變與溫度的雙參數(shù)測(cè)量，而前向光干涉的光纖傳感技術(shù)工程上主要用于振動(dòng)與聲音的檢測(cè)。

光纖總線調(diào)制調(diào)控總線起到一個(gè)傳光器的調(diào)制作用。各種新型分布式光纖調(diào)制總線調(diào)控傳感器的調(diào)制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)聯(lián)合調(diào)制復(fù)用工作調(diào)制調(diào)控系統(tǒng)。根據(jù)調(diào)制光波所測(cè)的各種外界強(qiáng)度調(diào)制調(diào)控信號(hào)類(lèi)型進(jìn)行聯(lián)合調(diào)制以及光波的各種外界物理強(qiáng)度波動(dòng)變化特征情況和光波所參與測(cè)量的外界強(qiáng)度波動(dòng)變化及其響應(yīng)特征情況,可將用于調(diào)制時(shí)間光波的各種外界強(qiáng)度調(diào)制調(diào)控信號(hào)類(lèi)型分為光化學(xué)光波被測(cè)強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)聯(lián)合調(diào)制、光化學(xué)微波被測(cè)頻率調(diào)制信號(hào)聯(lián)合調(diào)制、光波長(zhǎng)強(qiáng)度信號(hào)聯(lián)合調(diào)制、光化學(xué)微波偏振相位調(diào)制信號(hào)聯(lián)合調(diào)制和偏振相位信號(hào)聯(lián)合調(diào)制這幾種主要工作調(diào)制類(lèi)型。

全新的分布式無(wú)線光纖測(cè)量傳感器是利用一根無(wú)線光纖電纜作為橫向延伸的一種傳感器子元件，光纖上的任意一段光纖既是一個(gè)傳感元件單元，又是其他各個(gè)傳感元件單元的測(cè)量信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐煌ǖ?，因而用?hù)可直接獲得被用于測(cè)量沿此一段光纖在運(yùn)行空間和運(yùn)動(dòng)時(shí)間上不斷變化的準(zhǔn)確分布測(cè)量消息。它完全消除了在傳統(tǒng)光纖傳感器經(jīng)常存在的時(shí)間傳感“盲區(qū)”，從根本上完全突破了傳統(tǒng)的無(wú)線單點(diǎn)光纖測(cè)量時(shí)間限制，是真正實(shí)際意義上的完全分布式無(wú)線光纖測(cè)量傳感器。

2 光纖傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀

從2001 年到2017 年，全球大型光纖無(wú)線傳感器（主要包括點(diǎn)陣差分式和無(wú)線分布式）產(chǎn)品消費(fèi)增加值的平均年同比增幅高達(dá)20.3%。美國(guó)已經(jīng)占據(jù)目前全球大型光纖無(wú)線傳感器的絕大部分區(qū)域市場(chǎng)份額。同時(shí)，2015-2020年，亞太地區(qū)以21.7%的年均全球復(fù)合經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率，迅速成為全球增速最快的區(qū)域市場(chǎng)。近年來(lái)，中國(guó)已經(jīng)成為亞太地區(qū)最主要的大型光纖無(wú)線傳感技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)用區(qū)域市場(chǎng)。2011 年全球交通及石化設(shè)備行業(yè)的大型光纖無(wú)線火災(zāi)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)產(chǎn)品應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模在千萬(wàn)億元以上水平，電力設(shè)備行業(yè)光纖無(wú)線傳感器的溫度變化檢測(cè)及控制應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到2 億元以上水平，光纖無(wú)線傳感氣體環(huán)境監(jiān)測(cè)、光纖傳感陀螺檢測(cè)產(chǎn)品應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到2 億元以上水平，光纖傳感器市場(chǎng)在0.5 億元以上水平。

由于現(xiàn)在光纖電纜測(cè)量傳感器的信號(hào)進(jìn)入口和輸出以及測(cè)量器在信號(hào)發(fā)生變化時(shí)也會(huì)直接受到目前電纖電纜光源端的溫度巨大波動(dòng)、光纖光源數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)母魍ǖ镭?fù)載損耗和功率的巨大變化、探測(cè)器相關(guān)部件結(jié)構(gòu)老化等各種因素的直接影響，這些因素受到影響之后會(huì)直接降低目前光纖電纜傳感器測(cè)量相關(guān)技術(shù)的準(zhǔn)確性。目前，光纖電纜傳感檢測(cè)技術(shù)的實(shí)用性還有待深入研究，同時(shí)其產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及制作使用過(guò)程中的成本相當(dāng)昂貴。目前，由于現(xiàn)在光纖電纜測(cè)量傳感器很大一部分相關(guān)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品還處在尚未投入到實(shí)驗(yàn)室研究開(kāi)發(fā)階段，因此有必要將這些技術(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果盡快進(jìn)行修正后再及時(shí)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。

3 我國(guó)光纖傳感器現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)光纖傳感器生產(chǎn)及服務(wù)企業(yè)按照業(yè)務(wù)可分為以下幾類(lèi)：

（1）公司專(zhuān)注于某一種或幾種新型光纖測(cè)量傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)型技術(shù)企業(yè)。

（2）國(guó)外國(guó)內(nèi)光纖無(wú)線傳感器的出口代理商及國(guó)內(nèi)外的市場(chǎng)技術(shù)支持。

（3）成為具有鮮明軟件行業(yè)綜合應(yīng)用研究背景的行業(yè)系統(tǒng)軟件集成提供商和行業(yè)綜合應(yīng)用解決模式方案產(chǎn)品供應(yīng)商。

（4）推動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)及其他服務(wù)公司的新產(chǎn)品業(yè)務(wù)持續(xù)拓展或者推動(dòng)業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。

目前，我國(guó)光纖檢測(cè)傳感器生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理模式主要分為2 種：一種是國(guó)外合作廠商在中國(guó)主要專(zhuān)門(mén)從事光纖儀器的研發(fā)生產(chǎn)和銷(xiāo)售推廣，系統(tǒng)中的集成配套工作由國(guó)內(nèi)廠商與國(guó)外廠商合作完成。這種企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理模式雖然其資源綜合利用率高，但是產(chǎn)品質(zhì)量能否真正滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)客戶(hù)實(shí)際需求，一定程度上還取決于國(guó)內(nèi)合作廠商的專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)控制管理水平。另一種是國(guó)內(nèi)的合作廠商直接采用進(jìn)口的國(guó)外儀器，集成配套檢測(cè)設(shè)備和應(yīng)用軟件，進(jìn)而直接形成整個(gè)質(zhì)量監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。這種技術(shù)集成一體化的企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理模式需要國(guó)外廠商本身具備很強(qiáng)的研發(fā)和生產(chǎn)能力。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)由于受?chē)?guó)外技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)能力水平及國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主體業(yè)務(wù)創(chuàng)新發(fā)展能力的限制，只能直接掌握一種或幾種相關(guān)技術(shù)，尚根本無(wú)法直接參與這種國(guó)際化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。國(guó)內(nèi)企業(yè)總體規(guī)模小，大多數(shù)都屬于大型高新技術(shù)研發(fā)企業(yè)，行業(yè)內(nèi)尚無(wú)任何協(xié)會(huì)組織。

4 光纖傳感器的主要應(yīng)用

光纖微波電纜本身具有很多優(yōu)異的機(jī)械化學(xué)性能，例如：我國(guó)光纖電纜具有較強(qiáng)的抵抗電磁和其他光纖原子管等化學(xué)物質(zhì)輻射相互作用干擾的機(jī)械化學(xué)性能；徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的光纖原子管和機(jī)械化學(xué)性能;絕緣、無(wú)線電子和感應(yīng)的光纖原子管和電氣機(jī)械化學(xué)分子性能;耐水、耐硝酸鹽和其他高溫、耐酸堿和抗腐蝕的物理化學(xué)分子性能等。目前，我國(guó)光纖無(wú)線微波傳感器已被廣泛應(yīng)用于我國(guó)的國(guó)防、電力、石油、建筑、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域，伴隨著我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及信息處理技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，光纖無(wú)線微波傳感器將與無(wú)線微波傳感器等相關(guān)技術(shù)一起在我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展中起到更為重要的技術(shù)主導(dǎo)作用。

4.1 油氣應(yīng)用

光纖電子傳感器技術(shù)可以有效克服惡劣的井下環(huán)境并取代目前傳統(tǒng)的井腔電子空氣傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油井的井下持續(xù)空氣氣流率、含水率、壓力、溫度、多通道相流和不同聲波的精確測(cè)量。目前，在我國(guó)石油測(cè)井監(jiān)控系統(tǒng)中主要廣泛應(yīng)用的設(shè)備是一種非本體特征式和光纖式的f-p 型井腔電子傳感器。國(guó)內(nèi)陸上大型油田以新疆克拉瑪依和遼河油田為主要代表，已經(jīng)在此成功進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。當(dāng)下很多科研機(jī)構(gòu)都在和中國(guó)石油化工公司共同開(kāi)展關(guān)于光纖電子傳感器等方面的技術(shù)合作項(xiàng)目。

4.2 煤礦應(yīng)用

我國(guó)天然氣和煤礦在新一代能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局中已經(jīng)完全占據(jù)了絕對(duì)的主導(dǎo)地位，我國(guó)每年天然煤礦安全生產(chǎn)事故發(fā)生率是目前世界上主要天然煤礦采煤和新能源發(fā)達(dá)國(guó)家每年發(fā)生煤礦安全事故死亡總數(shù)和事故發(fā)生率的4 倍以上。基于中國(guó)智能煤氣光纖結(jié)合地震災(zāi)害傳感器和監(jiān)測(cè)技術(shù)的中國(guó)智能煤氣瓦斯安全網(wǎng)是煤氣行業(yè)綜合地震災(zāi)害預(yù)測(cè)監(jiān)控地震監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，該平臺(tái)可以在10 km 內(nèi)對(duì)瓦斯、礦壓、水壓、溫度、聲音波及光發(fā)射、地震波等重大災(zāi)害信息進(jìn)行實(shí)時(shí)地震監(jiān)測(cè)。

4.3 電力系統(tǒng)

在一些大型電力系統(tǒng)中，需要直接測(cè)定光纜移動(dòng)線路的溫度、電流等重要技術(shù)參數(shù)，由于這種交流和輸電類(lèi)型的移動(dòng)溫度傳感器比較易于直接承受室外強(qiáng)光和微弱電磁場(chǎng)的直接輻射干擾，無(wú)法在這些技術(shù)應(yīng)用多的地方廣泛投入使用，只能用多種電力專(zhuān)業(yè)光纖電纜作為移動(dòng)傳感器。另外，還有一個(gè)重要的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，那就是用戶(hù)可以直接利用OPGW、OPPS 等多種類(lèi)型的電力專(zhuān)業(yè)光纖專(zhuān)用復(fù)合電纜線的分布式監(jiān)測(cè)技術(shù)用來(lái)監(jiān)測(cè)電力光纖復(fù)合電纜線的橫向移動(dòng)量和溫度以及墻體發(fā)生倒塌等各類(lèi)安全事故。

4.4 軍用領(lǐng)域

光纖海防傳感在軍用防衛(wèi)領(lǐng)域同樣存在龐大的應(yīng)用市場(chǎng)需求。用于軍事防衛(wèi)應(yīng)用的射頻光纖遙控傳感器主要可以應(yīng)用于射頻水聲探潛（射頻光纖波與水聽(tīng)器）、光纖遙控制導(dǎo)、姿態(tài)運(yùn)動(dòng)控制（射頻光纖陀螺）、航天器和航空器的三維結(jié)構(gòu)學(xué)和損傷控制探測(cè)（光纖智能蒙皮）以及航空戰(zhàn)場(chǎng)周?chē)h(huán)境的損傷探測(cè)等多個(gè)方面。在我國(guó)航天航空應(yīng)用領(lǐng)域中，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈用一種光纖遙控陀螺精確進(jìn)行制導(dǎo)。此外光纖遙控陀螺還包括可以廣泛應(yīng)用于高空雷達(dá)上的無(wú)線載人運(yùn)動(dòng)控制以及直升機(jī)的高空姿態(tài)運(yùn)動(dòng)控制。由一種光纖波與水聽(tīng)器連接構(gòu)成的安全海防海域傳感控制系統(tǒng)，是目前正在研究開(kāi)發(fā)的新型軍事防衛(wèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始推廣用于國(guó)家海上安全邊防和重要重點(diǎn)軍事任務(wù)地區(qū)的安全海防海域警戒。近幾年，快速發(fā)展起來(lái)的基于新型光纖海防傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的海防光纖網(wǎng)絡(luò)安全海域警戒控制系統(tǒng)，也已經(jīng)開(kāi)始在海上邊防及主要任務(wù)區(qū)域的軍事防衛(wèi)中得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

分布式新型光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)確切地說(shuō)它是當(dāng)代高科技的精華，是一種理想的新型國(guó)防安全網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)技術(shù)信息系統(tǒng)，安全網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究工作者一定程度上應(yīng)對(duì)此技術(shù)進(jìn)行積極的研究和推廣。