分立式與分布式光纖傳感關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展?

劉鐵根 于哲 江俊峰 劉琨 張學(xué)智 丁振揚 王雙 胡浩豐 韓群 張紅霞 李志宏

(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室,光電信息技術(shù)教育部重點實驗室,天津市光纖傳感工程中心,天津 300072)

1 引 言

光纖傳感技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代的兩項重大科學(xué)發(fā)現(xiàn):1960年激光器的發(fā)明[1]和1966年低損耗光纖理論的建立[2].20世紀(jì)70年代,伴隨光纖及光纖通信技術(shù)的發(fā)展,光纖傳感技術(shù)開始起步[3].光纖傳感技術(shù)具有抗電磁干擾、耐腐蝕、質(zhì)量輕、體積小、可復(fù)用、可組網(wǎng)等優(yōu)越性,可以對轉(zhuǎn)動、加速度、電磁場、溫度、壓力、應(yīng)力、聲音、振動、濕度、黏度、折射率、濃度等多種理化參量進(jìn)行傳感,因此在航空航天、石油化工、電子電力、土木工程、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景.該技術(shù)自建立以來在國內(nèi)外引發(fā)了研究熱潮并延續(xù)至今.我國近年來尤其重視這一技術(shù)的發(fā)展,設(shè)立了一系列國家級重大、重點研發(fā)計劃來推動相應(yīng)的研究,如天津大學(xué)牽頭承擔(dān)的國家重點基礎(chǔ)研究計劃“新一代光纖智能傳感網(wǎng)與關(guān)鍵器件基礎(chǔ)研究”和國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項項目“光纖力熱復(fù)合測試儀開發(fā)和應(yīng)用”,武漢理工大學(xué)牽頭承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金重大項目“光纖傳感網(wǎng)關(guān)鍵器件與技術(shù)研究”等.這些研究取得了豐碩的成果,有力推動了我國光纖傳感技術(shù)的發(fā)展,相應(yīng)研究成果已經(jīng)在生產(chǎn)和生活的各個方面獲得廣泛應(yīng)用.

光纖傳感按照結(jié)構(gòu)可以分為分立式光纖傳感技術(shù)和分布式光纖傳感技術(shù)兩大類,本文著重介紹兩類光纖傳感的主要關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展.

2 分立式光纖傳感技術(shù)

分立式光纖傳感技術(shù)利用光纖敏感器件作為傳感器來感知被測參量的變化,通過被測參量對光譜、光強、偏振等光學(xué)參量的調(diào)制獲取被測量的信息.光纖作為光信號的傳輸通道連接了光纖傳感器及后端的解調(diào)裝置.下面主要介紹光纖光柵傳感技術(shù)、光纖Fabry-Perot(F-P)傳感技術(shù)、光纖陀螺傳感技術(shù)、光纖內(nèi)腔傳感技術(shù)、光纖表面等離子體傳感技術(shù)、空心光纖回音壁諧振模傳感技術(shù)、磁流體光纖傳感技術(shù)和光纖光學(xué)相干層析成像技術(shù)的研究.

2.1 光纖光柵傳感技術(shù)

目前在工程中廣泛應(yīng)用的光纖光柵傳感器主要基于光纖布拉格光柵(FBG),是一種纖芯折射率周期性變化的光纖結(jié)構(gòu).FBG的布拉格波長對外界變化非常敏感,當(dāng)FBG所處環(huán)境溫度、應(yīng)變發(fā)生變化時,FBG的布拉格波長會隨之發(fā)生漂移,通過對布拉格波長的測量,即可實現(xiàn)對多種物理參量的傳感.1992年,Kersey和Berkoff[4]利用FBG設(shè)計了微分式光纖溫度傳感器,其溫度傳感精度可達(dá)0.05°C.2001年,Guo等[5]采用錯位光纖結(jié)構(gòu),并在光纖上制作光柵結(jié)構(gòu),可以實現(xiàn)對振動和彎曲的測量.2008年,Xu等[6]采用FBG進(jìn)行壓力測量,在70 MPa壓強下實現(xiàn)了3.04×10?3nm/MPa的測量靈敏度.

除了對待測量的拓展之外,研究人員也提出了多種FBG波長解調(diào)方法,如衍射光柵法[7]、邊緣濾波法[8]、可調(diào)諧F-P濾波法[9]等.衍射光柵法解調(diào)的信噪比高,但成本高且較難進(jìn)行實時校正;邊緣濾波解調(diào)法具有體積小、質(zhì)輕、低功耗的優(yōu)點,但復(fù)用性較差;而可調(diào)諧F-P濾波法復(fù)用性強,且易于實現(xiàn)FBG波長的動靜態(tài)監(jiān)測,獲得高質(zhì)量的光譜分析,是當(dāng)前實用性較好的方法之一.

在極端環(huán)境下的應(yīng)用是當(dāng)前FBG傳感技術(shù)的一個重要發(fā)展方向[10].針對高溫檢測應(yīng)用,利用飛秒激光器在藍(lán)寶石光纖上刻寫的光柵,可以在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定的光柵結(jié)構(gòu)和傳感特性,溫度檢測上限可達(dá)1500°C[11].天津大學(xué)基于航天中的應(yīng)用需求,研制了可工作于低溫環(huán)境的FBG傳感器,采用金屬基底增敏封裝結(jié)構(gòu)來提高傳感器在低溫下的靈敏度;并利用無膠封裝和預(yù)拉伸工藝解決光纖光柵在低溫下的蠕變和啁啾等問題.圖1所示為FBG傳感器在?196°C液氮環(huán)境中217 h連續(xù)測量的結(jié)果,可以看出,FBG傳感器的波長波動幅值小于9 pm,標(biāo)準(zhǔn)差為0.76 pm.這表明研制的FBG傳感器可以在較長時間的低溫環(huán)境下保持性能穩(wěn)定.

航天環(huán)境復(fù)雜多變,溫度、真空、輻照等因素均會對解調(diào)設(shè)備產(chǎn)生影響.天津大學(xué)重點對FBG解調(diào)系統(tǒng)在寬溫范圍內(nèi)的溫漂特性做了理論和實驗分析,并通過復(fù)合波長參考法進(jìn)行溫漂的校正,實現(xiàn)了不同穩(wěn)態(tài)溫度下的絕對波長解調(diào),解調(diào)結(jié)果波動幅度為±1.2 pm,標(biāo)準(zhǔn)差為0.39 pm[12].而在環(huán)境溫度較快變化時,可調(diào)諧F-P濾波器的波長電壓掃描的重復(fù)性變差,導(dǎo)致解調(diào)波長波動幅度高達(dá)±28.5 pm,標(biāo)準(zhǔn)差8.6 pm.我們通過引入光纖邁克耳孫干涉儀作為輔助的光頻率細(xì)分模塊進(jìn)行抑制,在平均變溫速率為2.2°C/min時,解調(diào)結(jié)果波動幅度降低至±3.5 pm,標(biāo)準(zhǔn)差1.4 pm,解調(diào)的穩(wěn)定性提高了6.5倍[13].

圖1 液氮環(huán)境中光纖光柵傳感器的波長變化[11]Fig.1.The wavelength change of fiber bragg grating sensor in liquid nitrogen[11].

2.2 光纖F-P傳感技術(shù)

光纖F-P傳感技術(shù)通過待測量作用于F-P腔產(chǎn)生的腔長變化進(jìn)行傳感.F-P腔為光纖F-P壓力傳感器的核心敏感元件,入射光在F-P腔的兩個端面形成反射,產(chǎn)生干涉信號,干涉信號隨著F-P腔長的改變而發(fā)生變化,通過對干涉信號進(jìn)行解調(diào)實現(xiàn)對待測參量傳感.按照不同的F-P腔構(gòu)成方式,可以將光纖F-P待測參量傳感器分為本征型和非本征型兩大類,圖2為這兩類傳感器的典型結(jié)構(gòu).

圖2 典型光纖F-P傳感器結(jié)構(gòu)圖 (a)本征型;(b)非本征型Fig.2.Typical structural diagram of optic fiber Fabry-Perot sensor:(a)Intrinsic;(b)extrinsic.

本征型光纖F-P傳感器是最早進(jìn)行研究的一種光纖F-P傳感器,由Lee和Taylor[14]于1988年首次制作成功,其F-P腔由光纖本身構(gòu)成,F-P腔的兩個反射端面外側(cè)可以是空氣介質(zhì)也可以是光纖介質(zhì).除通過在光纖兩端鍍反射膜的方式制作F-P腔外,通過在光纖中間熔接不同反射率光纖的方式也可以構(gòu)成本征型光纖F-P傳感器.例如,將藍(lán)寶石光纖與單模光纖熔接在一起[15],或在兩段單模光纖中間熔接一段多模光纖[16].本征型光纖F-P傳感器通過側(cè)向感受待測參量,但由于溫度、應(yīng)變等參量同樣會影響F-P腔光纖介質(zhì)的折射率,本征型光纖F-P傳感器容易產(chǎn)生多參量交叉敏感問題.

非本征型光纖F-P傳感器的F-P腔不再是光纖本身,而是空氣或其他介質(zhì),具有測量靈敏度高、動態(tài)范圍大、溫度不敏感的優(yōu)點,成為光纖F-P壓力傳感器的研究重點[17].1991年,Murphy等[18]通過使用環(huán)氧樹脂將導(dǎo)入光纖、反射光纖分別與準(zhǔn)直毛細(xì)管固定在一起的方式研制成功非本征型光纖F-P傳感器,目前成為光纖F-P傳感器中應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu).采用膜片結(jié)構(gòu)的非本征型光纖F-P傳感器可直接將壓力轉(zhuǎn)化為F-P腔長度,因此給傳感器的設(shè)計帶來很多便利,所以在壓力傳感方面,基于光纖F-P的光纖壓力傳感器具有靈敏度和尺寸優(yōu)勢,是光纖F-P傳感器最重要的研究方向.國內(nèi)外研究人員對制作F-P腔結(jié)構(gòu)提出了多種方案,主要包括光纖端面直接刻蝕微腔、毛細(xì)管封裝微腔、基片蝕刻微腔.發(fā)展趨勢是集成化、微型化的光纖F-P壓力傳感器.例如:2014年,Liao等[19]通過改進(jìn)的放電技術(shù)制作出厚度僅為320 nm的光纖端微泡結(jié)構(gòu),其構(gòu)成的F-P腔在1550 nm波長下,壓力靈敏度為1036 pm/MPa;2015年,Sun等[20]在光纖端面形成聚合物端帽構(gòu)成F-P腔的方法制作了對溫度、壓力同時具有較高靈敏度的光纖F-P傳感器.天津大學(xué)已研制成高精度壓力傳感器并實現(xiàn)了批量化制作,在此基礎(chǔ)上研究了基于壓差的光纖F-P溫度傳感器[21]和基于混合F-P腔結(jié)構(gòu)的壓力和溫度雙參量傳感器[22],實現(xiàn)了高精度壓力和溫度同時測量.

除傳感器外,研究人員在F-P腔腔長提取方面也進(jìn)行了大量研究,提出多種解調(diào)方法,主要分為強度解調(diào)方法、光譜解調(diào)方法以及低相干干涉解調(diào)方法三大類.光纖F-P壓力強度解調(diào)方法對應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,響應(yīng)速度快,是早期用于光纖F-P壓力傳感解調(diào)的一種方法[23,24],但存在測量范圍受限、傳感器制作過程中腔長控制精度以及光源穩(wěn)定性要求過高的問題.光譜解調(diào)方法通過獲取受光纖F-P壓力傳感器調(diào)制的光信號的光譜信息,對F-P腔長進(jìn)行解調(diào),與強度解調(diào)方法相比,其探測裝置不再是獲取強度的光電探測器,而是更為復(fù)雜的光譜獲取系統(tǒng),如光譜儀或基于可調(diào)諧F-P濾波技術(shù)的光譜獲取系統(tǒng).國內(nèi)外研究人員針對干涉光譜信息的解調(diào)方法進(jìn)行了大量研究,包括條紋計數(shù)法[25,26]和傅里葉變換光譜法[27,28]等,目前光纖F-P壓力傳感解調(diào)普遍選擇光譜解調(diào)方法,但該方法會受到光源光譜分布不平坦的影響,且光譜儀造價普遍較高.1983年,Al-Chalabi等[29]提出了光纖低相干干涉解調(diào)方法,由于低相干干涉技術(shù)能夠有效測量絕對距離,因此非常適合光纖F-P壓力傳感器腔長的解調(diào),一系列基于光纖低相干干涉技術(shù)的壓力傳感解調(diào)系統(tǒng)被先后提出,主要分為時間掃描型和空間掃描型兩類,如圖4所示,其最終目的是在時間軸或空間軸上產(chǎn)生一系列的光程差.

圖3 基于混合F-P腔結(jié)構(gòu)的壓力和溫度雙參量傳感器[22]Fig.3.Pressure and temperature dual-parameter sensor based on mixed Fabry-Perot cavity[22].

天津大學(xué)研制成基于偏振低相干干涉技術(shù)的壓力解調(diào)系統(tǒng),并對系統(tǒng)性能從多個角度進(jìn)行全面分析[30?32],分別側(cè)重高精度、快速處理、系統(tǒng)色散特性補償?shù)确矫鎸Φ拖喔筛缮娼庹{(diào)算法進(jìn)行大量研究,提出了多種新型低相干干涉解調(diào)算法.其中,單色頻率絕對相位法[33]利用頻譜相位信息恢復(fù)單個頻率的絕對相位,通過恢復(fù)的絕對相位值實現(xiàn)對低相干干涉信號的高精度解調(diào);任意極值法[34]通過設(shè)定閾值的方式對干涉圖樣中多個條紋峰值或谷值進(jìn)行編號并追蹤,利用任意條紋峰值位置對低相干干涉信號進(jìn)行解調(diào);色散補償法[35]利用系統(tǒng)色散特性,補償傳統(tǒng)包絡(luò)峰值法產(chǎn)生的F-P腔長解調(diào)誤差,利用補償后的F-P腔長值實現(xiàn)高精度解調(diào);基于位置相關(guān)色散的零級條紋追蹤法[36]利用系統(tǒng)色散特性和相移技術(shù)恢復(fù)中心波長干涉條紋的零級條紋峰值位置,實現(xiàn)對低相干干涉信號的快速解調(diào).在實際應(yīng)用領(lǐng)域中,針對航空陣列型大氣壓力傳感的需求,實現(xiàn)了波分復(fù)用和頻分復(fù)用兩種傳感器的多路復(fù)用[37].

圖4 低相干干涉解調(diào)方法對應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4.System structure for low-coherence interferometry demodulation method

2.3 光纖陀螺傳感技術(shù)

光纖陀螺( fiber optic gyro,FOG)是一種建立在Sagnac效應(yīng)基礎(chǔ)上的環(huán)形雙光束干涉儀,利用同一光源分出特征相同的兩束光波,在同一光纖線圈中沿順時針方向和逆時針方向分別傳輸,并最終匯合至一點而發(fā)生干涉;若干涉儀閉合光路相對于慣性空間存在一光路法向方向的旋轉(zhuǎn)速率信號,則沿順時針方向及逆時針方向傳播的光波會產(chǎn)生一個正比于旋轉(zhuǎn)速率的光程差[38,39].

自從美國猶他大學(xué)(The University of Utah)科學(xué)家Vali和Shorthill[40]在1976年首次成功地完成光纖陀螺的演示實驗,標(biāo)志著光纖陀螺的誕生.之后,光纖陀螺經(jīng)歷了35年的發(fā)展歷程,達(dá)到了較高的水平,其主要性能指標(biāo)已達(dá)到或接近高性能慣導(dǎo)系統(tǒng)的要求.目前,從光纖陀螺未來的發(fā)展前景來看,其精度覆蓋面廣,不僅可以用在艦艇、導(dǎo)彈、飛機、衛(wèi)星等高性能的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)[41?46],而且通過采用集成電路及集成光路技術(shù),進(jìn)一步減小體積、質(zhì)量及成本,提高可靠性、穩(wěn)定性和耐用性后,將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用.目前,光纖陀螺主要用于捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng),將來還可能用于平臺式慣性系統(tǒng)[47].高精度、低成本和小型化是光纖陀螺今后發(fā)展的主要方向.

從圖5和圖6中國外陀螺儀表在近期的發(fā)展?fàn)顩r和遠(yuǎn)期的發(fā)展趨勢來看[48,49],圖5中光纖陀螺能夠適用于到的精度范圍.但是隨著更低成本的微機電/集成光學(xué)陀螺精度的提高,光纖陀螺在2020年以后則可能更多地用于導(dǎo)航級以上的高精度領(lǐng)域,中低精度應(yīng)用將主要是微機電/集成光學(xué)陀螺的市場,更高精度的應(yīng)用則為靜電陀螺等轉(zhuǎn)子式陀螺和很有潛力的原子干涉陀螺.高精度光纖陀螺將主要應(yīng)用于軍事裝備、空間技術(shù)和科學(xué)研究等領(lǐng)域.如衛(wèi)星應(yīng)用對陀螺的壽命要求較高,長達(dá)10—15年,適合光纖陀螺的應(yīng)用場合.低成本小型化光纖陀螺作為角速率傳感器,將在戰(zhàn)術(shù)武器、汽車導(dǎo)航、機器人等許多精度要求不高的領(lǐng)域中有更廣闊的應(yīng)用前景.國外光纖陀螺的隨機游走系數(shù)已達(dá)到.,零偏穩(wěn)定性已優(yōu)于(1σ),而實驗室下的零偏穩(wěn)定性精度已達(dá)到

圖5 2005年國外陀螺技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r示意圖[48]Fig.5.Status of development for foreign gyroscope technology in 2005[48].

[50],目前正朝著優(yōu)于努力,以滿足潛艇等應(yīng)用對高性能陀螺的要求.進(jìn)一步提高光纖陀螺的精度,需要改進(jìn)儀表熱設(shè)計和光纖線圈的繞制技術(shù)水平,提高陀螺溫度和力學(xué)條件下的零偏性能;改善光源的平均波長穩(wěn)定性以提高標(biāo)度因素重復(fù)性;改進(jìn)Y波導(dǎo)線性度、改進(jìn)調(diào)制解調(diào)方法,提高標(biāo)度因數(shù)線性度.

圖6 2020年國外陀螺技術(shù)發(fā)展趨勢示意圖[49]Fig.6.Development tendency for foreign gyroscope technology in 2020[49].

光纖環(huán)作為光纖陀螺核心敏感元件,其質(zhì)量非常關(guān)鍵.光纖環(huán)的量化分析和測量技術(shù)是光纖陀螺研究的重點之一.針對傳統(tǒng)二維光纖環(huán)溫度瞬態(tài)響應(yīng)數(shù)學(xué)模型的先天不足,天津大學(xué)建立了三維光纖環(huán)溫度瞬態(tài)響應(yīng)數(shù)學(xué)模型[51],從而能夠分析傳統(tǒng)方法無法分析的復(fù)雜的光纖環(huán)敏感軸軸向不對稱溫度梯度造成的熱致非互易性,此外將光學(xué)相干層析成像技術(shù)應(yīng)用于光纖環(huán)結(jié)構(gòu)的直觀觀測[52],突破了原有觀測手段無法了解光纖環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不足,不僅能實現(xiàn)對光纖環(huán)繞制層表面光纖排布的檢測,同時可實現(xiàn)對底層光纖進(jìn)行無損傷的檢測,為直接分析光纖環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了技術(shù)支持.

2.4 光纖內(nèi)腔傳感技術(shù)

1971年,Peterson等[53]在染料激光器的諧振腔內(nèi)放入一弱窄帶吸收體,發(fā)現(xiàn)在吸收體的吸收波長處輸出激光的強度減弱.以此為基礎(chǔ),在激光理論上逐漸發(fā)展起來一種特殊的吸收光譜法——有源內(nèi)腔法.有源內(nèi)腔法將氣室放入激光器的諧振腔內(nèi),并使激光器的激射波長與待測氣體的吸收光譜相對應(yīng),通過測量激光器輸出光譜因氣體吸收而引起的變化,得到待測氣體的濃度.微弱光信號在諧振腔內(nèi)往返振蕩形成激光的過程中,多次經(jīng)過待測氣體,將較小的氣室長度等效成為很大的有效吸收光程,從而極大地提高了氣體傳感靈敏度.有源內(nèi)腔法所用的激光器可以是半導(dǎo)體激光器、固體激光器、染料激光器、光纖激光器等.

基于光纖激光器的有源內(nèi)腔氣體檢測系統(tǒng)常采用摻稀土元素的光纖作為增益介質(zhì),具有很寬的增益帶寬,這一帶寬范圍包含了多種氣體的吸收譜線.利用不同的譜線位置可以判定氣體種類,利用吸收譜線的幅值可以測得氣體濃度.

1999年,Hernandez-Cordero和Morse[54]提出了首個光纖激光內(nèi)腔氣體傳感系統(tǒng),其利用光纖偏振分束器將有源內(nèi)腔分為x偏振態(tài)激光腔和y偏振態(tài)激光腔兩個獨立的激光諧振腔,其中一個諧振腔內(nèi)含有待測乙炔氣體而另一個沒有,而兩個諧振腔的噪聲相同,所以應(yīng)用這種方法可以提高系統(tǒng)的檢測靈敏度.2001年,Stewart等[55]設(shè)計了一套既能夠進(jìn)行衰蕩腔吸收物質(zhì)衰減實驗又能進(jìn)行有源內(nèi)腔吸收物質(zhì)衰減實驗的實驗系統(tǒng),并對衰蕩腔和內(nèi)腔吸收氣體傳感的特性進(jìn)行了深入研究.2003年,Zhang等[56]提出的光纖有源內(nèi)腔氣體傳感系統(tǒng)如圖7所示.氣室由帶尾纖的梯度折射率透鏡對準(zhǔn)而成,每個氣室對應(yīng)一個環(huán)形內(nèi)腔,利用光纖光柵作為波長選擇反射鏡,通過給光纖光柵施加應(yīng)力使其布拉格波長調(diào)至與氣體吸收譜線一致,從而使得該系統(tǒng)具有多點氣體檢測能力.2008年,天津大學(xué)[57]在光纖環(huán)腔氣體傳感系統(tǒng)中利用可調(diào)諧光濾波器實現(xiàn)了波長掃描,將波長掃描技術(shù)和靈敏度增強方法結(jié)合起來,有效提高了乙炔氣體的檢測準(zhǔn)確性和靈敏度.

近年來,內(nèi)腔吸收逐漸從單點單氣體檢測向多點多氣體檢測發(fā)展,以拓展其應(yīng)用范圍.2014年,Zhang等[58]以空芯光子晶體光纖為氣室,采用密集波分復(fù)用濾波器將三個氣室集成在同一內(nèi)腔氣體檢測系統(tǒng)中,相較于光纖光柵選頻,密集波分復(fù)用器更容易使系統(tǒng)獲得穩(wěn)定的激光輸出,并通過對乙炔氣體的濃度檢測證明了采用復(fù)用技術(shù)構(gòu)建內(nèi)腔氣體傳感網(wǎng)的可行性.2015年,Fomin等[59]利用內(nèi)腔吸收光譜技術(shù)實現(xiàn)了高溫環(huán)境下CO,CO2及溫度多參量的檢測,其采用寬帶的摻鉺光纖激光器為光源,波長調(diào)諧范圍為6390—6410 cm?1,溫度范圍296—1200 K,氣體譜線測量結(jié)果與HITRAN分子光譜數(shù)據(jù)庫中給出的結(jié)果符合較好.2016年,天津大學(xué)[60]針對內(nèi)腔混合氣體檢測中的吸收譜線重疊問題,提出了一種快速譜線分離方法,該方法將連續(xù)小波變換、線性回歸分析與混沌粒子群優(yōu)化結(jié)合在一起,可以從重疊氣體吸收光譜中分離出各組分的吸光度分布,有效提高了CO和CO2混合氣體的濃度檢測精度.

圖7 光纖有源內(nèi)腔氣體傳感原理[56]Fig.7.Schematic diagram of fiber active intracavity gas detection[56].

2.5 光纖表面等離子體傳感技術(shù)

在金屬-電介質(zhì)界面支持的沿界面的電荷密度振蕩稱為表面等離子體振蕩.光纖表面等離子體傳感器利用光傳輸過程中在纖芯和包層界面產(chǎn)生的倏逝波來激發(fā)表面等離子體振蕩,最早由華盛頓大學(xué)的Jorgenson教授于1993年提出[61].基于這種傳感器,折射率測量的最高分辨率在900 nm波長處可達(dá)到7.5×10?4.此后,相繼報導(dǎo)了用于化學(xué)和生物傳感領(lǐng)域的各種結(jié)構(gòu)的光纖表面等離子體傳感器.

由于表面等離子體諧振是由倏逝波激發(fā)金屬-電介質(zhì)界面產(chǎn)生的,因此凡能夠產(chǎn)生倏逝波的器件,理論上就能夠制作特定的表面等離子體傳感器.光纖作為光傳輸?shù)妮d體,光傳輸過程中在纖芯和包層界面會產(chǎn)生倏逝波,因而可以用來制作表面等離子體傳感器.光纖耦合結(jié)構(gòu)的表面等離子體傳感器采用光纖作為光的傳輸媒質(zhì).由于光纖的特殊性這種傳感器具有其他結(jié)構(gòu)所沒有的特點:它可以很方便地探測一些人類難以進(jìn)入或者有害的地方,可以通過光纖對敏感信號的傳輸實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和分布式監(jiān)測,而且也可以達(dá)到較高的靈敏度.光纖耦合傳感器一般是將普通光纖部分的保護(hù)層剝離,將纖芯裸露出來,再在纖芯外包裹金屬膜層及敏感層檢測時將該部分與樣液接觸,從而實現(xiàn)方便靈敏的檢測.

天津大學(xué)利用大直徑光纖施加金鍍層構(gòu)成圖8所示的表面等離子體光纖傳感器對溫度進(jìn)行傳感,并首次利用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解算法處理所得表面等離體子特征譜以提升精度,最終在20°C實現(xiàn)了335.7 pm/°C的溫度傳感靈敏度和0.06°C的溫度分辨率,在99°C實現(xiàn)了626.9 pm/°C的溫度傳感靈敏度和0.03°C的溫度分辨率[62].

圖8 光纖表面等離子體傳感器[62]Fig.8.Fiber surface plasma sensor[62].

2.6 空心光纖回音壁諧振模傳感技術(shù)

空心光纖回音壁諧振模傳感技術(shù)是利用光纖產(chǎn)生的倏逝場激發(fā)的一種沿著介質(zhì)彎曲邊界通過全反射進(jìn)行傳輸?shù)哪芰糠植寄Ｊ?即回音壁諧振模式(whispering gallery mode).相比于直波導(dǎo)空心光纖形成的環(huán)狀諧振腔中傳輸?shù)墓饪梢岳@環(huán)路多次,因此具有更長的與物質(zhì)作用的有效長度.回音壁諧振模式在環(huán)狀諧振腔的表面上形成倏逝場,諧振腔表面附近的物質(zhì)濃度變化或者吸附的生物分子量的變化都可以由回音壁諧振峰中心波長值來反映,通過檢測諧振峰中心波長,可以獲得諧振腔表面附近分子的定量或動力學(xué)信息.在近些年的發(fā)展中,形成了微管型、微瓶型、微泡型及光子晶體型等多種構(gòu)型,應(yīng)用在物理量傳感(折射率、溫度、磁場強度等)、光纖激光、醫(yī)學(xué)診斷、藥品研制、食物監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域中.

微管型回音壁諧振模傳感在2006年由密歇根大學(xué)的Fan等[63]提出,如圖9所示,其利用一根熔融石英毛細(xì)管作為流體樣品通道,通過拉錐光纖產(chǎn)生的倏逝場在石英毛細(xì)管上激發(fā)回音壁諧振模,從而實現(xiàn)對石英毛細(xì)管內(nèi)的乙醇-水溶液的濃度進(jìn)行傳感,其折射率傳感靈敏度達(dá)到2.6 nm/RIU、Q值達(dá)到4.1×105,折射率傳感探測極限達(dá)到1.8×105,隨后又制作出了傳感靈敏度達(dá)16.1 nm/RIU[64]、探測極限達(dá)5×10?6RIU的折射率傳感器.Gouveia等[65]研究了微管型傳感器的壓力特性,發(fā)現(xiàn)在直徑為1.8 mm、壁厚為80μm的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)上,其對于壓力的光譜靈敏度可達(dá)(0.36±0.01)nm/bar.將微管的傳感區(qū)域直徑通過一定的技術(shù)手段擴大,使其形成瓶狀結(jié)構(gòu),可制作出微瓶型回音壁諧振模傳感器.由于其相對于微管型具有更小的模式體積,因此具有更高的Q值,該傳感器在2009年由P?llinger等[66]首次制作出來,其Q值高達(dá)3.6×108.將微瓶型回音壁諧振模傳感器的傳感區(qū)域直徑進(jìn)一步擴大,其瓶狀結(jié)構(gòu)可變?yōu)榕轄罱Y(jié)構(gòu),這種傳感器被稱為微泡型回音壁諧振模傳感器.此種類型最早在2010年由OFS實驗室的Sumetsky報道[67],其制作出的微泡傳感器直徑為370μm,壁厚為2μm,Q值達(dá)106.

圖9 (a)微管型回音壁諧振模傳感示意圖;(b)光耦合入微管后形成回音壁諧振[63]Fig.9.(a)Schematic diagram of microtube whispering gallery mode sensor;(b)the formation of whispering gallery mode under microtube optical coupling[63].

天津大學(xué)通過理論分析指出,可以在微管內(nèi)壁涂覆高折射率介質(zhì)層吸引電磁場向微管內(nèi)部移動來提高折射率傳感靈敏度,并計算了折射率傳感靈敏度隨涂覆層厚度及涂覆層折射率的變化情況,解釋了模式靈敏度的增強原因[68].同時研究了微管回音壁諧振模不同徑向模式下的光場分布對傳感靈敏度的影響.通過改變?nèi)肷涔饨嵌?利用棱鏡耦合的方法在微管中激發(fā)出不同的徑向模式,實驗測得了不同徑向模式的傳感靈敏度[69].除了微管型傳感器外,還對微泡型傳感器進(jìn)行了研究.圖10為制作出的微泡型回音壁諧振模傳感器[70],其在1550 nm附近Q值達(dá)到1.5×107,折射率傳感靈敏度達(dá)到82 nm/RIU.提出了波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)與微泡耦合進(jìn)行波長選擇,從而實現(xiàn)了多波長復(fù)用的光微流體傳感方法[71].

圖10 (a)微泡型回音壁諧振模傳感器示意圖;(b)回音壁諧振模特征譜[71]Fig.10.(a)Schematic diagram of micro bubble whispering gallery mode sensor;(b)characteristic spectrum of whispering gallery mode[71].

2.7 磁流體光纖傳感技術(shù)

磁流體是一種在適當(dāng)基液中(如水、煤油等)均勻分散有經(jīng)化學(xué)修飾的納米級磁性顆粒(如Fe3O4顆粒)的磁性液體.在無外界磁場作用時,因磁性顆粒的表面帶有同種極性的電荷,顆粒之間的相互排斥保證了其能夠均勻分散在基液中而不發(fā)生團(tuán)簇或沉淀.當(dāng)有足夠強的磁場作用時,磁性顆粒在磁力的作用下發(fā)生定向的聚集或排列,進(jìn)而從宏觀上改變磁流體的光學(xué)性質(zhì)(包括折射率、光吸收系數(shù)等),或者產(chǎn)生新的效應(yīng)(如法拉第效應(yīng)、雙折射效應(yīng)等).

磁流體具有多種優(yōu)異的磁光效應(yīng),且與通常的固體材料不同,磁流體的這些光學(xué)特性可以通過基液選擇或改變磁納米顆粒濃度在很大的范圍內(nèi)靈活設(shè)計,再加上光纖結(jié)構(gòu)的體積小、易于與磁流體集成等特點,使得磁流體在光纖磁場傳感器[72,73]得到了極大的關(guān)注和研究.

將一段無芯光纖與兩段普通單模光纖(SMF)熔接到一起便構(gòu)成了一個單模-無芯-單模結(jié)構(gòu)(SNS).當(dāng)無芯光纖的直徑大于單模光纖纖芯的直徑時,在其內(nèi)部會激發(fā)出多個纖芯模式,此時的SNS結(jié)構(gòu)可以理解為一個多模干涉儀,且多模干涉情況易受外界擾動的影響,相應(yīng)地輸出譜線也會隨之變化,通過檢測輸出譜線的變化情況可實現(xiàn)對外界的參量傳感.圖11所示為天津大學(xué)將SNS結(jié)構(gòu)與磁流體相結(jié)合所構(gòu)成的磁場、電流光纖傳感器[74?76].在磁場傳感方面,在0—220 Oe范圍內(nèi)實現(xiàn)了905 pm/mT的磁場傳感靈敏度,同時光強隨磁場變化量為0.748 dB/mT.在電流傳感方面,在2.5—6.5 A的電流強度內(nèi)實現(xiàn)了2.12 dB/A的電流傳感靈敏度,并達(dá)到了200 mA的探測極限.

圖11 光纖磁流體傳感器[75,76]Fig.11.Fiber magnetic fluid sensor[75,76].

2.8 光纖光學(xué)相干層析技術(shù)成像技術(shù)

光學(xué)相干層析技術(shù)成像技術(shù)(optical coherence tomography,OCT)是將光學(xué)相干技術(shù)與激光掃描共焦技術(shù)相結(jié)合的一種醫(yī)學(xué)層析成像方法,能夠?qū)崿F(xiàn)對組織內(nèi)顯微結(jié)構(gòu)的高分辨率成像,在醫(yī)學(xué)上被稱為“光學(xué)活檢”.利用入射光在生物組織的不同深度反射層產(chǎn)生的背向散射信號,通過相干測量,能夠完成對樣品組織的層析成像,并已達(dá)到微米量級的空間分辨力,具有廣闊的臨床應(yīng)用前景.

光學(xué)相干層析技術(shù)成像技術(shù)最早來源于光學(xué)相干域反射測量技術(shù),一開始是用于網(wǎng)絡(luò)故障檢測或光學(xué)器件內(nèi)部損傷檢測[77,78].隨后不久人們就發(fā)現(xiàn)了它的生物組織探測能力.1988年,Fercher等[79]基于邁克耳孫干涉儀用低相干光測得了眼球的長度,獲得眼球的干涉條紋.1991年,來自美國麻省理工大學(xué)Fujimoto的研究小組[80]提出OCT概念,首次成功地實現(xiàn)離體冠狀動脈壁以及人眼視網(wǎng)膜顯微結(jié)構(gòu)成像.1993年,Fercher等[81]和Swanson等[82]分別將OCT技術(shù)用于活體人眼視網(wǎng)膜成像.隨后,1994年,Izzat等[83]實現(xiàn)了活體眼前段成像；1996年OCT技術(shù)商業(yè)化,成為眼科臨床檢測中常用的成像技術(shù);之后其應(yīng)用延伸到了高散射組織中,如皮膚、牙齒[84,85]等.通過利用靈活的成像導(dǎo)管,OCT技術(shù)也朝消化道內(nèi)窺成像[86,87]以及血管內(nèi)成像方向發(fā)展[88].

圖12 離體牙齒三維重建OCT圖像[92]Fig.12.Three-dimensional reconstruction OCT image of extracted teeth[92].

采用微型化的光纖導(dǎo)管探頭,OCT系統(tǒng)可應(yīng)用于腔內(nèi)組織成像.天津大學(xué)基于導(dǎo)管控制系統(tǒng)開發(fā)出用于血管內(nèi)成像的OCT系統(tǒng)[89],實現(xiàn)對血管內(nèi)顯微結(jié)構(gòu)的精確檢測.通過OCT技術(shù)對皮膚組織光學(xué)特性進(jìn)行研究并用于無創(chuàng)血糖檢測中,檢測了皮膚組織中多個血糖敏感區(qū)域的散射系數(shù)與血糖濃度值之間的相關(guān)性,并提出采用偏最小二乘法的多變量無創(chuàng)血糖檢測模型[90].建立了口腔診斷用全光纖偏振不敏感OCT系統(tǒng),利用基于規(guī)則體數(shù)據(jù)的三維表面模型的構(gòu)建算法對人離體牙齒進(jìn)行了三維建模,獲得了人離體牙齒的三維OCT圖像,如圖12所示.開展了齲齒診斷應(yīng)用實驗研究,進(jìn)行了人工齲體外建模實驗,為進(jìn)一步的牙齒修復(fù)體質(zhì)量評估研究打下基礎(chǔ)[91,92].

3 分布式光纖傳感技術(shù)

分布式光纖傳感技術(shù)基于光纖中光的干涉、瑞利散射、拉曼散射或布里淵散射等光學(xué)效應(yīng),利用光纖本身作為傳感器,當(dāng)光在光纖傳輸過程中受到加載在路徑上的振動、應(yīng)變、聲音、溫度變化、結(jié)構(gòu)損傷等載荷的調(diào)制時,其在路徑沿線不同空間分布和隨時間變化的光信號也會產(chǎn)生相應(yīng)變化.分布式光纖傳感技術(shù)可實現(xiàn)大范圍、長距離的全天候傳感,主要包含干涉型擾動分布傳感、光頻域反射儀(OFDR)傳感技術(shù)、相干光時域反射儀(Φ-OTDR)傳感技術(shù)、光纖布里淵傳感技術(shù)、光纖拉曼傳感技術(shù)等.

3.1 干涉型擾動分布傳感

干涉型擾動分布傳感技術(shù)利用光纖作為傳感元件,傳感光纖上的任一點都具有傳感能力,能夠滿足對數(shù)十公里內(nèi)的擾動行為進(jìn)行預(yù)警、定位.當(dāng)擾動行為作用于傳感光纖時必然引起光纖長度、折射率的變化,進(jìn)而會引起光波相位的變化.干涉信號隨著相位變化而發(fā)生改變,干涉型擾動分布傳感技術(shù)通過對干涉信號進(jìn)行解調(diào)實現(xiàn)對擾動行為的判斷及定位功能.在干涉型擾動分布式光纖傳感系統(tǒng)中,定位技術(shù)的實現(xiàn)主要分為需解調(diào)出干涉信號絕對相位和無需解調(diào)出干涉信號絕對相位兩種[93].

解調(diào)出干涉信號絕對相位的方法發(fā)展相對較早,英國科學(xué)家Russell和Dackin[94]于1999年提出了基于雙波長Sagnac干涉原理的定位技術(shù),該系統(tǒng)使用兩個波長的光源,利用波分復(fù)用器件使兩種波長的光分別通過兩條光路,構(gòu)成兩個獨立的Sagnac干涉儀.但是為了保證系統(tǒng)定位的準(zhǔn)確性,必須對部分光纖做屏蔽處理,且由于該系統(tǒng)傳感光纖應(yīng)用普通單模光纖,存在干涉型分布式傳感系統(tǒng)共有的偏振態(tài)退化問題.2014年,Yuan等[95]對此系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),如圖13,用一條光纖代替光纖環(huán),并在光纖尾端設(shè)置法拉第旋轉(zhuǎn)鏡,構(gòu)成偏振無關(guān)Sagnac干涉儀,結(jié)構(gòu)本身具有了抗偏振衰落能力.且該系統(tǒng)設(shè)置成單光纖結(jié)構(gòu),巧妙地避免了光纖屏蔽的問題.目前該系統(tǒng)能夠在70 km的傳感范圍內(nèi)得到±25 m的定位精度.

圖13 雙波長Sagnac光纖擾動傳感系統(tǒng) SLD,白光光源;C1,3×3耦合器;C2,3 dB耦合器;WDM1,WDM2,WDM3,波分復(fù)用器;FRM1,FRM2,法拉第旋轉(zhuǎn)鏡;PD1,PD2,PD3,PD4,光電探測器[95]Fig.13.Dual-wavelength Sagnac optical fiber disturbance sensing system.SLD,white-light source;C1,3×3 coupler;C2,3 dB coupler;WDM1,WDM2,WDM3,wavelength division multiplexer;FRM1,FRM2,faraday rotation mirror;PD1,PD2,PD3,PD4,photoelectric detector[95].

無需解調(diào)出干涉信號絕對相位方法利用干涉信號相位之間的延遲特點及干涉信號之間的相關(guān)特性進(jìn)行定位.2002年,Kizlik[96]首次提出了基于雙Mach-Zehnder(M-Z)干涉的分布式擾動定位技術(shù),如圖14,在該技術(shù)中同一個光纖鏈路里有沿順、逆時針兩個方向傳播的光信號,當(dāng)有擾動行為發(fā)生時,位于光纖鏈路兩端的探測器接收到的干涉信號將有一個時延差,根據(jù)時延差可以對擾動點進(jìn)行定位.2009年,Liang等[97]對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),由環(huán)形結(jié)構(gòu)變成了直線型,更適用于實際應(yīng)用.2010年,Xie等[98]對系統(tǒng)定位誤差進(jìn)行分析指出對于寬帶信號互相關(guān)算法求時延具有更高的定位精度,但是該系統(tǒng)仍存在干涉型傳感系統(tǒng)普遍存在的“偏振相移”和“偏振誘導(dǎo)信號衰落”問題.

圖14 雙馬赫-曾德爾光纖擾動傳感系統(tǒng) DAQ,數(shù)據(jù)采集卡;IPC,工控機;C2,C3,光纖環(huán)形器;C1,C4,C5,3 dB耦合器;PD1,PD2,光電探測器[96]Fig.14. Double Mach-Zehnder optical fiber disturbance sensing system.DAQ,data acquisition card;IPC,industrial personal computer;C2,C3,optical fiber circulator;C1,C4,C5,3 dB coupler;PD1,PD2,photoelectric detector[96].

圖15 非對稱雙馬赫-曾德爾增德原理的光纖擾動傳感系統(tǒng) DAQ,數(shù)據(jù)采集卡;IPC,工控機;C2,C3,3 dB耦合器;C1,C4,光纖環(huán)形器;PC1,PC2,偏振控制器;DWDM1,DWDM2,密集波分復(fù)用器;PD1,PD2,光電探測器;C-PW,CC-PW,順時針和逆時針傳播的光波[102]Fig.15.Asymmetric double Mach-Zehnder optical fiber disturbance sensing system.DAQ:data acquisition card;IPC:industrial personal computer;C2,C3,3 dB coupler;C1,C4,optical fiber circulator;PD1,PD2,photoelectric detector;C-PW,CC-PW,Light waves transmit clockwise and anticlockwise[102].

天津大學(xué)為了實現(xiàn)對擾動行為的高精度定位,研究了具有偏振補償功能的雙馬赫-曾德爾光纖擾動傳感系統(tǒng)及偏振控制算法,同時設(shè)計了基于廣義互相關(guān)的定位算法,實現(xiàn)了高精度定位檢測及偏振補償[99,100].此外,還將經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,設(shè)計了針對多種擾動行為的模式識別算法,通過徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)對外界不同擾動行為的準(zhǔn)確判斷[101].為了提高M(jìn)-Z光纖擾動傳感系統(tǒng)的應(yīng)用范圍,我們研究了一種基于非對稱雙M-Z干涉的光纖擾動傳感系統(tǒng),如圖15所示,利用不同波長光源+DWDM的組合濾除背向散射噪聲,延長傳感距離;并設(shè)計了應(yīng)用于非對稱系統(tǒng)的高精度定位算法[102,103],目前該系統(tǒng)能夠在120 km的傳感距離下達(dá)到±100 m的定位精度.

目前,如何進(jìn)一步減小偏振和噪聲的影響,以實現(xiàn)更長距離的傳感和更高精度的定位是面臨的主要問題.憑借其長距離、高分辨率及便于構(gòu)成智能型網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)越特性,干涉型擾動分布傳感技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測、油氣管道泄漏監(jiān)測、輸電線網(wǎng)安全監(jiān)測及周界安全監(jiān)控等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景.

3.2 光頻域反射傳感技術(shù)

基于光纖中背向瑞利散射的OFDR技術(shù)最開始由德國的Eickhoff等[104]提出,通常使用具有極窄線寬的可調(diào)諧激光器作為系統(tǒng)的光源,由掃描光源發(fā)出的光被分成兩路,分別進(jìn)入?yún)⒖急酆捅粶y光纖( fiber under test,FUT).其中參考臂一路的光信號作為本振光信號,并與被測光纖中的背向瑞利散射光信號進(jìn)行干涉,由于光頻域反射技術(shù)中使用的是掃描光源,因此這兩路信號發(fā)生的干涉為拍頻干涉,干涉后的拍頻信號被探測器接收.探測到的拍頻干涉信號的拍頻大小是與被測光纖的距離相互關(guān)聯(lián)的,對于光頻域反射技術(shù)中某一時刻探測到的光信號,則是整個被測光纖上全部拍頻信號的集合.自提出之后,國內(nèi)外的諸多研究者都開始了對光頻域反射技術(shù)的跟進(jìn)研究.基于光頻域反射技術(shù)的應(yīng)用,主要可以歸為兩個方面[105],一方面是對被測光纖進(jìn)行分布式測量,即對整個光纖鏈路的損耗、斷點、連接點等進(jìn)行健康監(jiān)測;另一方面就是通過光頻域反射技術(shù)實現(xiàn)光纖傳感,利用光纖作為傳感單元的同時兼具傳輸信號功能,實現(xiàn)分布式光纖傳感.

在光頻域反射技術(shù)的研究之初,主要通過該技術(shù)進(jìn)行光纖鏈路測量,如Uttam等[106]利用光頻域反射技術(shù)實現(xiàn)對搭建的基于光纖的光路系統(tǒng)和光纖器件的檢測.此前的研究中雖然利用光頻域反射技術(shù)對光纖的測試實現(xiàn)的空間分辨率比較高,可以達(dá)到厘米和毫米量級,甚至微米量級[107],但測試距離尚短,一般最多都只有十幾米的光纖測試長度[108].伴隨著研究的不斷深入,利用光頻域反射技術(shù)實現(xiàn)的測試距離也不斷增加.如天津大學(xué)采用去斜濾波技術(shù)抑制OFDR非線性相位,實現(xiàn)80 km處反射率為?55 dB菲涅耳反射的測量,空間分辨率達(dá)1.6 m[109],同時將傅里葉變化頻域高階估計與倒譜估計引入去斜濾波技術(shù),精確估算激光器非線性相位,使得空間分辨率達(dá)80 cm,其中末端反射點分辨率在抑制非線性相位噪聲后提高187倍,如圖16[110].

圖16 采用優(yōu)化去斜濾波器(deskew filter)抑制非線性相位噪聲結(jié)果 測試長度80 km,APC接頭連接產(chǎn)生的菲涅耳反射點位于10,30,40 km,末端為80 km;由于非線性相位影響,10,30,40 km不能探測出,抑制非線性相位噪聲后,全部可探測出;末端反射點分辨率在抑制非線性相位噪聲后提高187倍[110]Fig.16.Using deskew filter to restrain nonlinear phase noise,the test length is 80 km,the Fresnel re flection point caused by APC connector located at 10 km,30 km,40 km,the end is 80 km.Because of the nonlinear phase,the signal is undetectable at 10 km,30 km,40 km.After the nonlinear phase noise restrain,the signal turns to be detectable.The resolution of re flection point increases 187 times after the nonlinear phase is restrained[110].

通常光頻域反射技術(shù)中,探測的都是強相干信號,然而當(dāng)被測光纖的長度在超過光源的相干長度的情況時,探測弱相干信號在OFDR技術(shù)中也是可行的.天津大學(xué)[111]探測超相干情況下的菲涅耳反射,實現(xiàn)對170 km光纖末端菲涅耳反射峰的探測,反射點的空間分辨率為200 m,如圖17.

基于光頻域反射技術(shù)的研究,除了用于分布式光纖鏈路的測量測試外,在分布式光纖參量傳感方面的應(yīng)用也至關(guān)重要.天津大學(xué)[112]通過對光頻域信號進(jìn)行互相關(guān)分析,實現(xiàn)對振動信號的多點傳感,傳感距離為12 km,最高可測振動頻率為2 kHz,空間分辨率為5 m,同時將去斜濾波技術(shù)引入振動傳感領(lǐng)域,測試距離拓展到40 km[113].此外,對溫度、磁場[114]和電流[115]進(jìn)行的分布式傳感研究也取得了一定的成果.

圖17 長度為170 km待測光纖的瑞利散射和末端由FC/PC接頭引起的反射率為?14 dB菲涅耳反射測試結(jié)果圖 OFDR軌跡在超過120 km部分變?yōu)槠交?這是由于瑞利散射信號已經(jīng)小于系統(tǒng)本底噪聲?120 dB[111]Fig.17.The Rayleigh scattering and a?14 dB Fresnel re flection caused by FC/PC connector in a 170 km long optical fiber OFDR track turns to smoothness in the area more than 120 km,because the Rayleigh scattering signal is smaller than the?120 dB background noise of the system[111].

3.3 相干光時域反射儀傳感技術(shù)

相干光時域反射儀(Φ-OTDR)傳感技術(shù)能實現(xiàn)長距離、全分布式的振動定位和測量,在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中其優(yōu)勢超越了傳統(tǒng)的電傳感器、光纖光柵傳感器等.因此,對Φ-OTDR分布式振動傳感系統(tǒng)的傳感機理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和解調(diào)技術(shù)進(jìn)行深入的探究具有重要的應(yīng)用價值和學(xué)術(shù)價值.

圖18 OFDR方法用于磁感應(yīng)強度分布的傳感[114]Fig.18.OFDR method used in magnetic induction intensity distribution sensing[114].

1993年,美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)(TAMU)的Taylor等[116]申請了關(guān)于Φ-OTDR的首個美國專利.他發(fā)現(xiàn),在光纖中注入超窄線寬激光脈沖后,利用外界振動對后向瑞利散射光相位的調(diào)制特性,可以進(jìn)行振動測量.1994年,Juskatis等[117]提出利用Φ-OTDR進(jìn)行入侵(振動)檢測.Φ-OTDR的前期研究方向主要集中在其傳感機理的研究上.TAMU的Park等[118]將Φ-OTDR的基本理論模型抽象為:將光纖分成N段,每小段的空間寬度為單位ΔL,將ΔL分為M個由瑞利散射產(chǎn)生的離散的反射鏡,且每個反射鏡的反射率和造成的相位延遲都是隨機的獨立分布,該模型解釋了Φ-OTDR的物理規(guī)律,并通過實驗驗證了該模型的有效性.在Φ-OTDR的關(guān)鍵光學(xué)器件研究方面,TAMU的Choi等[119]研究了窄線寬激光器的線寬和頻率漂移對系統(tǒng)傳感性能的影響,并研制了摻鉺光纖激光器,使激光器的性能基本能夠滿足實用需求.哈爾濱工程大學(xué)的Lü等[120]研究了影響Φ-OTDR波形的各種物理參數(shù)(折射率、激光頻率和脈寬等)變化時的相應(yīng)瑞利散射波形,通過理論分析和實驗得到上述諸參數(shù)對瑞利散射波形的影響.

Φ-OTDR是基于光的干涉原理,因此得到與振動信號完全對應(yīng)的瑞利散射光相位,對于還原振動信號具有重要意義.2011年,中國科學(xué)院上海光機所的Pan等[121]提出了利用數(shù)字相干探測的方法,實時地解調(diào)瑞利散射光的相位,壓電陶瓷換能器振動實驗證明了解調(diào)相位與振動信號的對應(yīng)情況較好,相比直接檢測的方式SNR提升顯著.2013年,南安普頓大學(xué)的Masoudi等[122]利用非平衡M-Z干涉儀,在1 km范圍內(nèi)實現(xiàn)了500—5000 Hz的動態(tài)應(yīng)變測量,并于2014年報道了該系統(tǒng)對聲波的響應(yīng)能力,相比之前的Φ-OTDR[123],傳感性能邁進(jìn)了一大步.

在Φ-OTDR的信號處理方面,最初為滿足入侵監(jiān)測的需求,一般先將原始的瑞利散射曲線通過平均以部分抵消探測器的熱噪聲影響,然后對平均后的相鄰兩個周期的瑞利散射曲線進(jìn)行相減,得到隨空間分布的差值曲線.這種方法實施起來較簡單,可以比較直觀地反映系統(tǒng)的性能和對擾動的靈敏度,但差值曲線并不能較好地體現(xiàn)擾動/振動信號的時域特征.TAMU的Madsen等[124]利用時頻分析的方法對入侵信號的特征進(jìn)行初步探索,Ottwa大學(xué)的Qin等[125]利用連續(xù)小波變換的方法分析非靜態(tài)的振動信號,并進(jìn)一步研究了小波分析在擾動信號提取中的應(yīng)用[126].電子科技大學(xué)的Wu等[127]研究了小波分析對差值曲線的去噪作用,并提出了一種基于時間序列奇異譜特征的擾動檢測方法,能夠有效排除聲波及瞬時高頻噪音等干擾信號的影響,取得了較好的效果[128].

3.4 基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)

布里淵散射是入射光與光纖內(nèi)的聲波相互作用而形成的,該聲波等效于一個以一定速度移動的密度光柵,因此可將布里淵散射看作是入射光在移動光柵上的散射,由于多普勒效應(yīng),散射光的頻率不再等于入射光頻率,該頻率差稱為布里淵頻移.布里淵散射是在20世紀(jì)初由布里淵提出的,1964年Chiao在實驗上發(fā)現(xiàn).基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)通過檢測布里淵頻移來測量溫度或應(yīng)變.與其他分布式傳感技術(shù)相比,它是一種起步相對較晚的技術(shù).1989年,Horighguchi和Culverhouse首次提出利用布里淵頻移可實現(xiàn)溫度和應(yīng)力的分布式測量.1990年,Kurashima和Tateda[129]分別測得布里淵頻移與光纖溫度和應(yīng)力之間的關(guān)系,指出不同光纖條件下,相同的溫度和應(yīng)變引起的布里淵頻移不同,但是頻移與溫度或應(yīng)變呈線性關(guān)系.1992年,Kurashima等根據(jù)這種關(guān)系提出了基于自發(fā)布里淵散射的光纖傳感技術(shù).隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和日益成熟,目前商用化的系統(tǒng)產(chǎn)品相繼出現(xiàn),如日本的Ando公司已開發(fā)出基于自發(fā)布里淵散射的光纖應(yīng)變測量儀,應(yīng)變精度達(dá)到±0.01%,空間分辨率1 m[130];Ottawa大學(xué)的Bao等[131]開發(fā)出用于大型發(fā)電機定子在線監(jiān)測的高空間分辨率分布式布里淵光纖傳感系統(tǒng),實現(xiàn)了3 cm周期的分布式橫向位移測量;2010年,南京大學(xué)研制出基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)樣機.基于布里淵散射的分布式光纖傳感器正朝著高空間分辨率、高測量精度和大測量范圍發(fā)展.

3.5 基于光纖拉曼散射的分布式傳感技術(shù)

拉曼散射光最早由印度科學(xué)家拉曼(Raman)于1928年發(fā)現(xiàn),后來隨著激光器的發(fā)展,推動了人們對拉曼散射的研究.當(dāng)光在光纖中傳播時,入射光波發(fā)生非線性散射,產(chǎn)生斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光波,其中的斯托克斯拉曼散射光強受溫度影響比較小,而反斯托克斯拉曼散射光對溫度敏感.相比于光纖布里淵傳感,拉曼散射效應(yīng)只對溫度敏感,可以克服溫度與應(yīng)變的交叉敏感,可應(yīng)用在各種極端環(huán)境,比如核電站、強磁場的環(huán)境,或者有應(yīng)力的地方,比如橋梁、建筑等.1981年,英國南安普頓大學(xué)率先提出其用于分布式光纖傳感的設(shè)想,并由Hartog等[132]于1983年研制出相應(yīng)實驗裝置.1985年,英國Dankin等[133]使用半導(dǎo)體激光器作為光源,并用雪崩光電二極管及石英光纖搭建了系統(tǒng),首次進(jìn)行了基于受激拉曼散射效應(yīng)的分布式光纖溫度傳感器測溫實驗.這一實驗顯示了拉曼式測溫系統(tǒng)的獨特優(yōu)勢.隨后圍繞系統(tǒng)的測量范圍、測溫范圍、空間分辨率、溫度分辨率開展了大量研究.

基于拉曼散射效應(yīng)的分布式光纖溫度傳感方案[134,135]的主要思想是利用光時域反射技術(shù)實現(xiàn)定位和利用斯托克斯拉曼散射光強和反斯托克斯拉曼散射光強解調(diào)溫度,從而得到光纖上的溫度場信息.光纖的色散特性會造成光時域反射曲線的走離效應(yīng),為了解決這個問題,Suh和Lee[136]采用雙光源方案,如圖19所示.其中主激光器產(chǎn)生的光纖背向反斯托克斯拉曼散射波長等于副激光器的光纖斯托克斯拉曼散射波長.用副激光器的斯托克斯拉曼散射光強和主激光器的反斯托克斯拉曼散射光強解調(diào)溫度信息,有效提高了傳感精度和分辨率.中國計量學(xué)院在2009年提出了拉曼相關(guān)雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器;2010年提出了新型色散與損耗光譜自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器[137].

圖19 Suh和Lee的解決方案[136]Fig.19.Solution of Suh and Lee[136].

同時,國內(nèi)外許多商業(yè)公司也推動了該傳感系統(tǒng)的商業(yè)化,對其普及和廣泛利用起到了顯著作用.未來,基于光纖受激拉曼散射效應(yīng)的分布式光纖溫度傳感技術(shù)將與新的信號采集處理技術(shù)、新型組網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合,向著高精度、超長距離、高可靠性、多參量和智能化的方向繼續(xù)發(fā)展.

4 光纖智能傳感網(wǎng)

分立式和分布式光纖傳感技術(shù)的研究,推動著光纖傳感系統(tǒng)向著集成化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展,光纖智能傳感網(wǎng)也隨之成為新的研究熱點.光纖智能傳感網(wǎng)是由各種分立式光纖傳感器和分布式光纖傳感器按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的具有自診斷和自愈功能的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)劣決定了傳感器的加載復(fù)用規(guī)模、測量參量的多樣性以及傳感網(wǎng)的整體魯棒性;其智能化體現(xiàn)在控制系統(tǒng)對于傳感網(wǎng)運行狀態(tài)的實時掌握、故障的定位診斷及傳感器自愈能力等方面的自動化程度.目前國內(nèi)外針對光纖傳感網(wǎng)的研究主要集中在以下方面:增加傳感器的復(fù)用數(shù)量、設(shè)計魯棒性更好的傳感網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及實現(xiàn)傳感網(wǎng)的智能控制[138,139].

針對光纖傳感網(wǎng)缺少魯棒性量化評價標(biāo)準(zhǔn)的研究現(xiàn)狀,天津大學(xué)提出了光纖傳感網(wǎng)魯棒性量化評估模型,并基于蒙特卡羅方法提出了誤差估計,用實驗結(jié)果和理論模擬值驗證了該魯棒性評價方法的可行性.該模型可以對總線型、星型、環(huán)型等各種復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行評價和建模[140,141].

隨后又提出了一種光纖光柵傳感器的無源自愈傳感網(wǎng)[142,143],該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個星型子網(wǎng)和環(huán)型子網(wǎng)構(gòu)成,如圖20所示.從理論上分析了當(dāng)傳感網(wǎng)發(fā)生多處故障時的自愈方式,并且利用實驗進(jìn)行了驗證,給出了通過觀察解調(diào)信號推導(dǎo)傳感器狀態(tài)的量化方法.無源傳感拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中不含任何中繼放大或外界電信號,該特性在需要防電磁干擾等的惡劣環(huán)境下顯得尤為重要.

圖20 無源傳感拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自愈功能示意圖[143]Fig.20. Self-healing capabilities of passive sensing topological structure[143].

5 結(jié) 論

光纖傳感技術(shù)自出現(xiàn)之后的幾十年來蓬勃發(fā)展,現(xiàn)在已經(jīng)成為跨越光學(xué)、光電子學(xué)、材料學(xué)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、土木工程、生物化學(xué)等多學(xué)科多門類的系統(tǒng)科學(xué).隨著云計算、云存儲、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的誕生,光通訊網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度和容量不斷擴大,以及納米技術(shù)、材料科學(xué)的日益發(fā)展,光纖傳感技術(shù)面臨著諸多新問題、新挑戰(zhàn),比如對高速度大規(guī)模傳感網(wǎng)絡(luò)的需求,對微納尺度超小超輕傳感器的需求,以及面向深空、深海、深地等極端環(huán)境的應(yīng)用需求等.因此,光纖傳感在當(dāng)今時代仍然是一個充滿挑戰(zhàn)的研究領(lǐng)域在與新材料、新技術(shù)的碰撞中,必將迸發(fā)出新的生機和活力.

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