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。

 

一、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

 

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提高精度、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。

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。

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：

1、高空间分辨率、超快测量和超长距离；

2、布里渊动态光栅传感主要用于多参量测量；

3、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。

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。

 

二、若干典型领域中的光纤传感技术应用情况

 

1、光纤气体传感技术

航天、航海、能源、食品卫生、环境保护、医学等领域的发展，对气体探测的能力提出了愈来愈高的要求。目前常用的气体检测技术包括气相色谱/质谱分析，电化学、光离子化探测等，在测量精度、动态范围、气体种类、成本、体积、在线或远程测量等方面难以满足日益增长的需求。

传统的光谱学气体传感器由分立的光学元件构成，使用空间气室作为传感单元，其体积较大，对准比较困难。激光光谱技术具有选择性好、无需标记等优点。尤其是，微纳结构光纤柔性好，可实现光与气体在光纤中的长距离相互作用并保持紧凑的气室结构。微纳结构光纤对光场的束缚强、模场尺寸小、能量密度高、和样品重叠度高，可增强光与气体的非线性作用，提高检测灵敏度。

 

使用微纳光纤自身作为气室传感单元，简化了光路之间的对准和链接，有助于推动光谱学测量技术向实用化方向发展，便于实现远程探测。利用微纳光纤本身的光学模式、声学模式及热传导等特性，可以实现新型高灵敏的气体传感器。传感光纤可以是空芯光子带隙光纤、空芯反谐振光纤或微纳芯光纤。根据测量需要，工作波长可选择紫外、可见光或红外波段。

 

首次应用微纳结构光纤进行气体测量的报道可以追溯到2001年。最早研究中用的是实芯微结构光纤，之后是空芯光纤。二十年来，研究人员在光纤气室的设计和制作、响应速度的提高、新型检测方法、噪声抑制、灵敏度的提高、动态范围的增大、系统稳定性的提高及实用化方面取得了令人瞩目的进展，如表1。

 

表1 微纳结构光纤气体传感技术发展简表

 

目前在实验室条件下，微纳结构光纤气体传感器已经实现了对多种气体(如甲烷、乙烷、乙炔、氨气、一氧化碳、二氧化碳等)的测量，灵敏度已达到10-6至 10-12量级。面向不同领域的实际应用，仍需解决如下主要问题:

●探头技术。优化微纳结构光纤的模式和偏振特性以提升气室的光学稳定性，采用合适的防水、防污、防震封装以适应不同的应用环境。

●光学解调技术。光学干涉相位检测系统需具有高灵敏、大动态范围、稳定、小型化和低成本的特点。

●光源技术。不同波段，尤其是红外波段的低成本、可调谐、窄线宽激光器是高灵敏多组分气体测量的关键器件。

 

2、光纤三维形状传感技术

如果想要对一个动态的物体进行跟踪，在缺乏视觉接触的情况下，形状感知就显得特别关键。近年来，基于光纤形状的传感方法受到了学术界和工业界的广泛关注。光纤形状传感器为传统的形状感知提供了一种非常有效的替代方法，它允许对形状进行连续、动态、直接的跟踪，而不需要视觉接触。光纤传感器具有结构紧凑、体积小、灵活性强、嵌入能力强等特点，可以很好地附着在被监测的物体上，同时保证了安装的方便性和形状跟踪的有效性。这些优势使得其在医疗、能源、国防、航空航天、结构安全监测以及其他智能结构等领域具有广泛的应用。图1是全部国产化的四芯光纤三维形状传感系统的几个关键部件。

 

图1 基于四芯光纤的三维形状传感系统的关键部件

 

实际应用中，如输油管线、桥梁结构等大尺度三维形状传感场景，适合将多根单芯光纤与待测物进行组合，并使用布里渊光时域反射技术监测其形状变化；而对于中等尺度或小尺度应用场景，例如机器人、柔性医用器械等，则适合采用多芯光纤阵列FBG解调技术或者分布式OFDR的曲率积分及形状重构的方法，来实现较高精度的三维形状感测。其中，该技术在医疗领域最具有发展潜力。

 

光纤三维形状传感技术的发展思路有两个：一是采用多芯光纤；二是采用多根单芯光纤与柱状结构物相结合的方式实现三维形状传感。这里谈的主要基于第一种思路。表2为基于多芯光纤的三维形状传感技术发展梗概。

 

表2 多芯光纤三维形状传感技术发展简表

 

光纤三维形状传感技术经过近二十年的快速发展，目前该项技术涉及的关键器件已经能够实现全部国产化，接近实际应用的水平。国内有多家单位相继开展了有关研究，桂林电子科技大学所研制的基于多芯光纤光栅三维形状传感系统具有动态三维形状感测能力，为工程化应用提供了各项关键技术，近年来逐步应用于若干领域，其面临的主要问题是:

●目前使用的多芯光纤的纤芯间距较小，其精度相对于较大纤芯间距的光纤形状传感器还有一定差距。

●多芯光纤相关器件性能及技术的提升，是多芯光纤形状传感技术进一步发展的关键，如低损耗多芯光纤扇入扇出器件、方便可靠的熔接技术以及低损耗活动连接技术等。

●无论是基于多芯光纤光栅阵列的解调技术，还是基于多芯光纤OFDR的解调方案，三维重构算法都有待于进一步的改进。

●多芯光纤及其光器件还没有统一的工业标准，不同器件兼容性较差，难以降低成本并推进工业化批量生产。

 

3、煤矿光纤传感技术

光纤传感器无需供电，对于煤矿井下易燃易爆气体监测和长距离多点巷道围岩变形、岩石应力等在线监测具有独特优势。

近二十年来，半导体激光甲烷传感器（如图2）的研发和煤矿应用工程化技术的研究较多，经历了从实验室原理验证到工程样机，再到近10万只光纤传感器在一千余座煤矿的规模化应用。激光甲烷传感器具有全量程、免标校、高选择性、长期稳定可靠性等独特优势，已得到了煤矿行业的普遍认可，并逐步替代传统催化燃烧式甲烷传感器。2016年12月底原国家煤矿安全监察局在《煤矿安全监控系统升级技术方案》中明确指出推荐使用先进传感器，包括全量程、低功耗、自诊断功能的激光甲烷传感器，这标志着激光甲烷传感器正式进入商业化应用。

 

图2 激光甲烷传感器模块和激光甲烷便携仪

此外，基于拉曼散射原理和多模光纤的光纤分布式温度传感器在煤矿采空区自燃发火隐患在线监测及预警定位方面展现了独特的作用，解决了采空区火灾隐患电子传感器存在检测盲区的难题，该类传感器经历了从隔爆兼本安型到低功耗本安型矿用仪器的升级过程，现已在全国数百个煤矿中对采空区和胶带运输系统进行火灾隐患监测预警方面得到了应用。

基于激光/光纤的甲烷、CO等多种气体传感器，基于光纤光栅的温度、位移、应变、压力、风速等传感器，以及光纤分布式温度、应变、振动和气体传感器将在日益兴起的智能矿山建设中拥有十分广阔的发展空间。随着中红外半导体激光器技术的发展，煤矿火灾监测预警技术可望在“十四五”期间取得突破。而下一步研究和突破的重点则在于，光纤分布式振动、光纤风速、光纤粉尘传感器，光纤电流、电压传感器，在煤矿井下高湿、粉尘、强机械冲击等情况下的适应性。

 

4、油气光纤传感技术

光纤传感技术在国外石油公司已经得到了广泛应用，是一项较为成熟的技术。随着近几年的迅猛发展，国内各油田公司已加大对该技术的市场化推广力度，目前该技术已实现产业化发展规模。目前光纤传感技术已广泛应用于油田测井各个领域，用于监测井下温度、压力、声波、流量等，可有效分析油田储层动用情况，指导油气开发方案设计与调整。

基于拉曼散射的光纤分布式温度传感(DTS)技术：DTS最早被应用于稠油热采井中监测井筒的温度，丰富的温度资料可以帮助油田经营者更清晰地认识油藏区块，以实现有效开发。传统的测温传感器只能在某个时间内检测间断点的温度；而光纤分布式温度传感技术可以实现在全井范围内连续且长时间的温度监测，因此可以更好地跟踪井下温度剖面的情况，如图3。但是，典型稠油井的井下温度高达260℃~300℃，并且存在含氢层段，光纤在这种环境下的使用寿命大大缩短，无法实现目标井全生命周期的监测。所以，加大高温耐氢损光纤的研发和试验力度，在关键技术上力争突破是一个迫切的问题。

 

图3 DTS测量蒸汽辅助重力泄油(SAGD)水平井井下温度

光纤法布里-珀罗腔测压技术(PT)：根据光纤法布里-珀罗腔的腔长随外界压力的变化而变化的原理来实现对油井中压力的监测，该方法具有抗干扰能力强、安全性高、长期工作稳定等优点，因此在井下监测中得到广泛应用，其应用场景如图4所示。但井下测压传感器的加工工艺要求高、可靠性低，在井下高温、含氢环境中，传感器寿命短；且解调算法中存在模型不准确导致的模式跳变。

图4 采用光纤测压技术测量地层压力

DAS技术：基于Φ-OTDR原理对空间分布的振动进行测量的DAS技术，是近几年光纤测井领域的最前沿技术。为达到最好的监测效果，需将光纤铺设在油气井套管外、与地层直接接触，但施工难度大。此外，还需要进一步提高低频甚至超低频信号采集性能，并面临着数据预处理、降噪及人工智能特征提取时，数据量大，算法复杂的问题；以及油气井的生产过程中，声波信号微弱、信噪比低的问题。

5、海洋勘探与监测光纤多参量传感技术

近年来，海洋勘探与监测光纤传感技术受到了学术界和工业界的广泛关注，得到了国内外诸多学者的深入研究，并取得了丰硕的研究成果。研发出的传感器，如海洋光纤温度传感器、盐度传感器、深度传感器、海洋光纤油污传感器、光纤水听器、海洋光纤流速流向传感器、海洋风电光纤磁场传感器和光纤地震传感器，为了解海洋、认知海洋、经略海洋提供了技术与装备支撑。

各种参量的海洋光纤传感技术经过了近十年的快速发展，其传感结构与关键器件已经能够实现全部国产化，接近实际应用的水平，近几年来逐步进入若干应用领域，其面临的主要问题是:

●目前使用的多芯光纤的纤芯位置与间距需要特制，它关系到传感器的灵敏度和成本，限制了应用开发的速度。

●复合结构中的不同种光纤间的低损耗熔接技术，是实现海洋光纤传感技术的重要环节。

●无论是基于多芯光纤的光栅阵列解调技术,，还是复合结构中多参量的解调方案，其重构算法还有待进一步完善。

 

三、我国光纤传感技术发展的愿景

伴随着我国光纤传感技术领域的发展，各高校中相关人才培养的模式也在缓慢地发生着变化，这是因为需求牵引着学术技术化，市场驱动着技术工程化。在这个信息技术发展急速变化的时代，已经很少有机会能够有较多的时间容许人才缓慢地发展，来跟随信息技术快速变化的脚步。如何满足人才市场多样性的需求？如何应对快速发展变化的相关产业？这些问题对各个高校的人才培养方式提出了新的挑战。

从市场的逻辑出发，需求牵引着市场扩展，市场驱动着技术的进步。就光纤传感技术而言，若某项特殊的感测技术有用，这项技术就能得到更深入的研究，就能得到市场更多的投入，该项技术本身才能得到更快的发展与进步。

 

光纤传感技术的成熟伴随着光纤通信技术的成熟，但是与光纤通信的市场情况则相反。光纤传感市场不仅被各种不同的需求和多样化的应用场景细分，而且能够满足各种应用的支撑性技术也各不相同，这样的现实情况阻碍了资本的投入规模，客观上也制约了光纤传感技术的发展。

 

时至今日，我国光纤传感技术正处于一个高速发展期，又恰逢我国金融市场的活跃期。一方面，细分市场促进工业级骨干企业的崛起，以实现细分市场的整合，完成基础层高可靠性、低成本、规模化的关键材料与器件的供给。这些供给包括三个内容：

1) 提供适用于具体应用场景的特种传感光纤与光缆；

2) 提供与特种传感光纤相配套的特种光纤器件；

3) 提供工业级高可靠性、低成本专用光电信号集成处理芯片或处理模块。

 

另一方面，市场的多样性也促进了那些能够满足应用端细分市场需求的各个行业企业的发展，它们是活跃在各个应用终端的工程应用型企业，能够与各个传统应用领域深度紧密结合。基础器件层工业级骨干企业的需求是少而精，应用端工程技术企业需求是多而强，通过这两类企业的分工协作，以及技术市场风投资本的投入不断加大，我国光纤传感产业链的各个环节的高速成长期已经来临。

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来 源：光电汇

编辑：仪器仪表WXF

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