分布式光纖傳感技術的特點與研究現狀論述

王 雪，張 宇，張芷源

（沈陽城市學院，遼寧 沈陽 110112）

分布式無線光纖傳感技術是目前正在發展的一項新型檢測技術，它的工作原理主要是利用光纖感知接收到一個信號并將這個信號實時傳出并返回，相較于傳統的節點式無線光纖傳感器主要工作原理而言，分布式無線光纖傳感技術可以實時測量前向光纖上成千上萬個散射點的空間溫度和其對應變量等信息，達到分布式溫度測量。通過連續函數的具體計算形式，針對整個光纖基層表面各個節點位置的實時監測溫度，進行相對精準的溫度測量。

1 分布式光纖傳感技術簡介

1.1 光纖的損耗特性

當光源從光纖的一端射入，另一端射出時，會使光的強度大大減弱。這也顯示出當光信號通過光纖傳播時，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的傳輸，這種現象就是光纖的傳輸損耗。如果想要光信號順利通過，需要通過一些方法降低光纖損耗。除此之外，光纖損耗的分類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構不完善引起的損耗。附加損耗則包括微彎損耗、彎曲損耗和接續損耗。

1.2 分布式光纖傳感技術

分布式光纖傳感技術根據傳感光類型不同可分為散射光傳感和前向光傳感2 類。其中，散射光又分為瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射3 類。基于不同光學效應的傳感技術可以檢測不同的物理參量。基于瑞利散射的光纖傳感技術工程上主要用于檢測振動與聲音信號，基于拉曼散射的光纖傳感技術工程上主要用于溫度的測量，而基于布里淵散射的光纖傳感技術工程上主要用于應變與溫度的雙參數測量，而前向光干涉的光纖傳感技術工程上主要用于振動與聲音的檢測。

光纖總線調制調控總線起到一個傳光器的調制作用。各種新型分布式光纖調制總線調控傳感器的調制系統實質上是一個聯合調制復用工作調制調控系統。根據調制光波所測的各種外界強度調制調控信號類型進行聯合調制以及光波的各種外界物理強度波動變化特征情況和光波所參與測量的外界強度波動變化及其響應特征情況,可將用于調制時間光波的各種外界強度調制調控信號類型分為光化學光波被測強度調制信號聯合調制、光化學微波被測頻率調制信號聯合調制、光波長強度信號聯合調制、光化學微波偏振相位調制信號聯合調制和偏振相位信號聯合調制這幾種主要工作調制類型。

全新的分布式無線光纖測量傳感器是利用一根無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傳感元件單元，又是其他各個傳感元件單元的測量信息數據傳輸的同一通道，因而用戶可直接獲得被用于測量沿此一段光纖在運行空間和運動時間上不斷變化的準確分布測量消息。它完全消除了在傳統光纖傳感器經常存在的時間傳感“盲區”，從根本上完全突破了傳統的無線單點光纖測量時間限制，是真正實際意義上的完全分布式無線光纖測量傳感器。

2 光纖傳感器的發展現狀

從2001 年到2017 年，全球大型光纖無線傳感器（主要包括點陣差分式和無線分布式）產品消費增加值的平均年同比增幅高達20.3%。美國已經占據目前全球大型光纖無線傳感器的絕大部分區域市場份額。同時，2015-2020年，亞太地區以21.7%的年均全球復合經濟增長率，迅速成為全球增速最快的區域市場。近年來，中國已經成為亞太地區最主要的大型光纖無線傳感技術產品研發應用區域市場。2011 年全球交通及石化設備行業的大型光纖無線火災監測報警系統產品應用市場規模在千萬億元以上水平，電力設備行業光纖無線傳感器的溫度變化檢測及控制應用市場規模達到2 億元以上水平，光纖無線傳感氣體環境監測、光纖傳感陀螺檢測產品應用市場規模達到2 億元以上水平，光纖傳感器市場在0.5 億元以上水平。

由于現在光纖電纜測量傳感器的信號進入口和輸出以及測量器在信號發生變化時也會直接受到目前電纖電纜光源端的溫度巨大波動、光纖光源數據信號傳輸的各通道負載損耗和功率的巨大變化、探測器相關部件結構老化等各種因素的直接影響，這些因素受到影響之后會直接降低目前光纖電纜傳感器測量相關技術的準確性。目前，光纖電纜傳感檢測技術的實用性還有待深入研究，同時其產品設計以及制作使用過程中的成本相當昂貴。目前，由于現在光纖電纜測量傳感器很大一部分相關技術的實驗產品還處在尚未投入到實驗室研究開發階段，因此有必要將這些技術的實驗結果盡快進行修正后再及時進行研究開發。

3 我國光纖傳感器現狀

國內光纖傳感器生產及服務企業按照業務可分為以下幾類：

（1）公司專注于某一種或幾種新型光纖測量傳感器的研發和生產型技術企業。

（2）國外國內光纖無線傳感器的出口代理商及國內外的市場技術支持。

（3）成為具有鮮明軟件行業綜合應用研究背景的行業系統軟件集成提供商和行業綜合應用解決模式方案產品供應商。

（4）推動通信產業及其他服務公司的新產品業務持續拓展或者推動業務結構轉型。

目前，我國光纖檢測傳感器生產企業的經營管理模式主要分為2 種：一種是國外合作廠商在中國主要專門從事光纖儀器的研發生產和銷售推廣，系統中的集成配套工作由國內廠商與國外廠商合作完成。這種企業經營管理模式雖然其資源綜合利用率高，但是產品質量能否真正滿足國內客戶實際需求，一定程度上還取決于國內合作廠商的專業技術水平和產品質量風險控制管理水平。另一種是國內的合作廠商直接采用進口的國外儀器，集成配套檢測設備和應用軟件，進而直接形成整個質量監測管理系統。這種技術集成一體化的企業經營管理模式需要國外廠商本身具備很強的研發和生產能力。國內生產企業由于受國外技術創新研發能力水平及國內市場主體業務創新發展能力的限制，只能直接掌握一種或幾種相關技術，尚根本無法直接參與這種國際化的市場競爭。國內企業總體規模小，大多數都屬于大型高新技術研發企業，行業內尚無任何協會組織。

4 光纖傳感器的主要應用

光纖微波電纜本身具有很多優異的機械化學性能，例如：我國光纖電纜具有較強的抵抗電磁和其他光纖原子管等化學物質輻射相互作用干擾的機械化學性能；徑細、質軟、重量輕的光纖原子管和機械化學性能;絕緣、無線電子和感應的光纖原子管和電氣機械化學分子性能;耐水、耐硝酸鹽和其他高溫、耐酸堿和抗腐蝕的物理化學分子性能等。目前，我國光纖無線微波傳感器已被廣泛應用于我國的國防、電力、石油、建筑、醫學等各個領域，伴隨著我國現代工業物聯網以及信息處理技術的不斷進步發展，光纖無線微波傳感器將與無線微波傳感器等相關技術一起在我國現代工業物聯網快速發展中起到更為重要的技術主導作用。

4.1 油氣應用

光纖電子傳感器技術可以有效克服惡劣的井下環境并取代目前傳統的井腔電子空氣傳感器，實現了對油井的井下持續空氣氣流率、含水率、壓力、溫度、多通道相流和不同聲波的精確測量。目前，在我國石油測井監控系統中主要廣泛應用的設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。國內陸上大型油田以新疆克拉瑪依和遼河油田為主要代表，已經在此成功進行了大量實驗。當下很多科研機構都在和中國石油化工公司共同開展關于光纖電子傳感器等方面的技術合作項目。

4.2 煤礦應用

我國天然氣和煤礦在新一代能源發電產業發展格局中已經完全占據了絕對的主導地位，我國每年天然煤礦安全生產事故發生率是目前世界上主要天然煤礦采煤和新能源發達國家每年發生煤礦安全事故死亡總數和事故發生率的4 倍以上。基于中國智能煤氣光纖結合地震災害傳感器和監測技術的中國智能煤氣瓦斯安全網是煤氣行業綜合地震災害預測監控地震監測管理系統，該平臺可以在10 km 內對瓦斯、礦壓、水壓、溫度、聲音波及光發射、地震波等重大災害信息進行實時地震監測。

4.3 電力系統

在一些大型電力系統中，需要直接測定光纜移動線路的溫度、電流等重要技術參數，由于這種交流和輸電類型的移動溫度傳感器比較易于直接承受室外強光和微弱電磁場的直接輻射干擾，無法在這些技術應用多的地方廣泛投入使用，只能用多種電力專業光纖電纜作為移動傳感器。另外，還有一個重要的相關技術應用領域，那就是用戶可以直接利用OPGW、OPPS 等多種類型的電力專業光纖專用復合電纜線的分布式監測技術用來監測電力光纖復合電纜線的橫向移動量和溫度以及墻體發生倒塌等各類安全事故。

4.4 軍用領域

光纖海防傳感在軍用防衛領域同樣存在龐大的應用市場需求。用于軍事防衛應用的射頻光纖遙控傳感器主要可以應用于射頻水聲探潛（射頻光纖波與水聽器）、光纖遙控制導、姿態運動控制（射頻光纖陀螺）、航天器和航空器的三維結構學和損傷控制探測（光纖智能蒙皮）以及航空戰場周圍環境的損傷探測等多個方面。在我國航天航空應用領域中，戰術導彈用一種光纖遙控陀螺精確進行制導。此外光纖遙控陀螺還包括可以廣泛應用于高空雷達上的無線載人運動控制以及直升機的高空姿態運動控制。由一種光纖波與水聽器連接構成的安全海防海域傳感控制系統，是目前正在研究開發的新型軍事防衛網絡系統，該網絡系統已經開始推廣用于國家海上安全邊防和重要重點軍事任務地區的安全海防海域警戒。近幾年，快速發展起來的基于新型光纖海防傳感網絡技術的海防光纖網絡安全海域警戒控制系統，也已經開始在海上邊防及主要任務區域的軍事防衛中得到了廣泛的推廣和應用。

5 結束語

分布式新型光纖網絡結構監測技術確切地說它是當代高科技的精華，是一種理想的新型國防安全網絡監測技術信息系統，安全網絡監測技術研究工作者一定程度上應對此技術進行積極的研究和推廣。