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我国光纤传感技术发展路线:关键技术发展现状


  来源: 光电汇 时间:2022-07-28 编辑:仪器仪表WXF
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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。


分布式布里渊光纤传感用于基础设施监测示意图

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。


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