新一代光纖智能傳感網技術進展

劉鐵根　張旭蘋　賈波等

摘 要：新一代光纖智能傳感網是一項涵蓋領域較為廣泛的綜合性技術，主要包括微結構光纖傳感、基于非線性光學散射的光纖傳感、基于光纖擾動的光纖傳感、傳感網的優化及應用技術四個方面。燕山大學、天津大學研制了不同類型的光子晶體光纖傳感器，可用于生物化學方面檢測。中國計量學院、南京大學開展了基于非線性光學散射的光纖系統研究，并在實際工程中得到應用。復旦大學、天津大學、上海理工大學針對光纖擾動的理論、算法等方面進行了研究。天津大學開展了光纖傳感網優化及應用的研究，并在實際中得到應用。該文簡要介紹了上述科研機構在光纖智能傳感網技術方面取得的進展，為廣大科研工作者進行相關研究提供參考。

關鍵詞：光纖傳感 光纖傳感網 微結構 非線性光學 光纖擾動

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

光纖傳感技術因其具有抗電磁干擾、電絕緣、體積小、易成陣列等優點，自從問世就受到極大重視[1]。光纖傳感技術在實際應用中，往往是將各種傳感器組成光纖傳感網，對多種信號進行測量。但是目前傳感器受結構、工藝束縛，系統穩定性較差，光纖傳感網技術的應用范圍受到限制。隨著我國國民經濟的飛速發展，各個領域對更高精度、多指標檢測方面需求越來越迫切，這就對光纖傳感檢測系統提出了更高要求。因此，國家將新一代光纖智能傳感網與關鍵器件基礎研究列為國家重點基礎研究發展計劃（973計劃），對關鍵性原理、器件的研究進行重點支持。

新一代光纖智能傳感網是一種具有3S（Smart structure 靈巧結構，Smart components 靈巧器件，Smart skill 靈巧技術）功能的系統，具有超長距離傳感能力，并且能夠智能的實現自尋徑、自診斷、自愈等功能。該傳感網的研究主要涉及四個關鍵性科學問題：研究微結構中物質與光波耦合作用的機理；研究基于非線性光學散射效應融合的光纖傳感技術；研究基于光纖擾動理論的光纖傳感技術；研究光纖智能傳感網的優化技術及其應用理論。

1 微結構光纖傳感研究

隨著光纖傳感技術應用領域的擴展、應用場合空間限制等因素，對光纖傳感器的尺寸及結構提出了更高的要求，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為新型光子晶體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，主要特點是包層區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，還具有調諧范圍寬、模場面積大、可以多參數測量等優點。據報道，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到0.25 g/L，砒啶的最低檢測濃度達到0.004975%，為公共安全及食品安全領域提供了一個新的檢測方法。

燕山大學是國內最早開展相關研究的單位之一，在光子晶體光纖的制備與應用方面經驗豐富。燕山大學的畢衛紅、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行檢測。天津大學在光子晶體光纖領域也開展了相關研究[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諧溫度跳變點的溫敏光開關。

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是近些年發展起來的新興技術，通過檢測折射率實現對生物、化學參量的無標記檢測，可以檢測蛋白質、DNA、病毒等，在醫學、食品檢測、環境監測等領域具有廣闊應用前景。天津大學對以微毛細管為基礎的生物傳感進行了深入研究。通過在毛細管中添加特殊介質，并采用在內壁涂覆高折射率基質層的方法，可以高靈敏度的進行傳感檢測。

近年來氣體光纖傳感越來越受到重視，天津大學的劉琨、劉鐵根等[2]基于L波段EDFA構建了光纖內腔氣體傳感系統，同時串聯標準具和光柵為系統提供波長參考，可以對CO2、CO等氣體進行濃度檢測。針對國家在航空航天方面的重大需求，天津大學研制了基于F-P干涉原理的大氣壓力解調系統，光纖F-P傳感器[4]采用了MEMS微加工、鍵合封裝等技術，解調算法方面，提出了任意極值算法、單色頻域法。該系統有望應用于新型戰機如J20、J15等，替代基于空速管的大氣壓力系統，從而達到抗電磁干擾、增強機體隱身性的要求。

2 基于非線性光學散射效應融合光纖傳感研究

光纖的非線性效應主要是指拉曼散射效應和布里淵散射效應。光纖拉曼溫度傳感器可以應用于大型土木建筑、隧道、提壩、電力工程等領域。中國計量學院光電子研究所是國內最早開展相關研究的單位之一。該單位研究的相關系統[5]已經成功應用在許多領域，如在日照港卸煤設備上安裝的光纖溫度傳感網系統，該系統監測到大型運煤翻車機電機過熱并進行報警，成功避免了火災，挽回經濟損失1200余萬元；部分高鐵路段的隧道也應用了相關溫度傳感系統，對隧道內溫度實時監測，預防火警，保障高鐵列車的安全運行。

基于布里淵散射的光纖傳感技術起步比較晚，但是由于其具有可測量多個物理量（溫度、應變等）、傳感距離長、易于實現網絡化等優點，近年來備受關注。南京大學的胡君輝、張旭蘋等[6]研究了一種長距自診斷方法，可以在72 km傳感長度實現損壞自診斷。基于布里淵散射的光纖傳感系統在工程實際中也被大量應用，例如南京市鼓樓隧道應變分布式光纖監測項目、云南嵩待公路白泥井3號隧道分布式光纖應變監測項目[8]。

3 基于光纖擾動的光纖傳感

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

光纖擾動及定位傳感網采用的是光纖干涉傳感技術，整根光纖都作為傳感器，一旦有外界異常現象（壓力、拉伸、振動等），將會引起光纖中傳輸光的干涉強度變化，通過檢測這些變化可以實現擾動定位。復旦大學、天津大學、上海理工大學等高校的科研人員針對光纖擾動系統進行了大量研究。在部分軍事通信光纜、機場、部隊駐扎地等場所已經應用了分布式光纖擾動系統。上海市公安系統也率先應用全光纖偵聽設備進行刑事偵查。

4 光纖智能傳感網的優化及其應用理論研究

隨著光纖傳感技術在工程領域的應用，對光纖傳感技術提出了新的要求：不但需要針對單一指標組網進行實時準確監測、測量，還需要獲得被測對象的全面信息，以便提高監測的準確性，并能夠實現對系統自身的自檢自愈。

天津大學的張紅霞、王舒等提出了一種針對光纖傳感網魯棒性的評價方法。丁振揚、姚曉天等采用去斜濾波器補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 技術的光纖傳感網空間分辨率提高了近100倍。

目前，多種光纖傳感技術融合的傳感網已經在實際中得到了應用。天津大學針對航天領域大規模高精度傳感器密集排布以及獨立空間組網的重大需求，采用光柵光纖溫度測量系統、F-P壓力測量系統以及聲振動測量系統組網，初步完成適應熱真空環境的多參量（溫度、壓力、振動）、多點位、高精度、高密度光纖異構智能傳感網的組建。

5 結論

新一代智能光纖傳感網是未來光纖傳感技術的發展趨勢，在國防軍事、航空航天、土木工程等領域具有廣泛應用前景。眾多科研機構均開展了不同器件、基于不同原理的光纖傳感技術研究，并取得了一定的應用成果，但是在基于微結構的傳感器設計、相關解調算法、系統結構優化方面還有提升的余地。在國家973計劃等重大科研項目推動下，光纖傳感網技術將會更加成熟，在各個領域將發揮更大的作用，為提升我國在傳感及光電子領域中的自主創新能力、增強我國信息產業的國際競爭力、促進國民經濟的快速可持續發展做出更多更大的貢獻。

參考文獻

[1] Guo X，Bi W，Wang L，et al. Simultaneous measurement of refractive index and temperature using dual-period grapefruit microstructured fiber grating[J]. Optik-International Journal for Light and Electron Optics，2013， 124（18）：3371-3374.

[2] Hao C，Lu Y，Fu X，et al.Surface plasmon resonance sensor based on grapefruit fiber filled with silver nanowires[C]//OFS2012 22nd International Conference on Optical Fiber Sensor. International Society for Optics and Photonics，2012：84217C-84217C-4.

[3] Wang R，Yao J，Miao Y，et al. A Reflective Photonic Crystal Fiber Temperature Sensor Probe Based on Infiltration with Liquid Mixtures[J].Sensors，2013， 13（6）：7916-7925.

[4] 劉琨，劉鐵根，江俊峰，等.基于波長調制技術的內腔式氣體傳感研究[J].中國激光，2010，38（1）：105008.

[5] Yin J，Liu T，Jiang J，et al.Wavelength-division-multiplexing method of polarized low-coherence interferometry for fiber Fabry–Perot interferometric sensors[J].Optics letters，2013，38（19）：3751-3753.

[6] 王劍鋒，宏巖，馬建東，等.光開關在分布式光纖溫度傳感系統的應用研究[J].光電子.激光，2010， 21（9）：1291-1293.

[7] Wang Jianfeng，Hong Yan， Ma Jiandong，et al.Application research of optical switch in distributed optical fiber temperature sensor system[J]. Journal of Optoelectronics·Laser， 2010，21（9）：1291-1293.

[8] Hu J，Zhang X，Yao Y，et al.A BOTDA with break interrogation function over 72 km sensing length[J].Optics express，2013， 21（1）：145-153.

[9] 張丹，施斌，徐洪鐘.基于BOTDR的隧道應變監測研究[J].工程地質學報， 2005，12（4）：422-426.