圖3 uDAS地震儀架構(gòu)示意圖及實(shí)物圖?！緢D片由中油奧博(成都)科技有限公司提供】

2014年是 Φ-OTDR/DAS 技術(shù)的發(fā)展爆發(fā)期；2019年uDAS光纖分布式地震儀通過(guò)了中國(guó)石油集團(tuán)組織的成果鑒定，整體達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，在數(shù)十個(gè)油田獲得規(guī)模化應(yīng)用，所得成果入選中國(guó)石油“2019年十大科技進(jìn)展”。總體來(lái)看，目前Ф-OTDR/DAS技術(shù)正處于快速發(fā)展時(shí)期，有望在未來(lái)5年內(nèi)達(dá)到巔峰，成為新一代的分布式聲波（振動(dòng)）傳感技術(shù)，具有不可替代性。然而，目前該技術(shù)仍存在以下問(wèn)題：

●靈敏度仍有待提升；

●目前僅能感知外界擾動(dòng)，無(wú)法判斷其方向，實(shí)現(xiàn)三分量聲波分布式傳感是一個(gè)難點(diǎn)；
●傳感距離仍有待增加，實(shí)現(xiàn)低噪聲的分布式光放大以提升信噪比、增加傳感距離極具挑戰(zhàn)；

●頻響范圍較小，將百米級(jí)距離頻響范圍拓展至超聲波段以實(shí)現(xiàn)無(wú)損探傷極具挑戰(zhàn)；

●檢測(cè)識(shí)別精度有待提升，改進(jìn)復(fù)雜環(huán)境噪聲下弱信號(hào)的高精度檢測(cè)識(shí)別AI算法是一個(gè)難點(diǎn)。

7、OFDR光纖傳感技術(shù)

光反射探測(cè)技術(shù)是分布式光聽(tīng)器的基礎(chǔ)，OFDR技術(shù)相對(duì)于OTDR技術(shù)在空間分辨率與動(dòng)態(tài)范圍方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是亞毫米到分米級(jí)分辨率的分布式傳感系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)方案，不僅適用于中短距光纖網(wǎng)絡(luò)和光器件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，而且該技術(shù)結(jié)合光纖光柵光譜或瑞利后向散射信號(hào)的分析，可實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)變、振動(dòng)、形狀等外界物理參量的檢測(cè)。此外，OFDR技術(shù)是高性能的激光雷達(dá)和光學(xué)相干層析(OCT)等技術(shù)的重要實(shí)現(xiàn)方法。

OFDR技術(shù)的發(fā)展包括硬件和信號(hào)處理兩個(gè)主要方向。硬件系統(tǒng)方面，主要朝著掃頻光源技術(shù)方向發(fā)展；信號(hào)處理方面，主要利用后處理方法補(bǔ)償掃頻激光的相位噪聲，以及通過(guò)分析后向瑞利散射特征實(shí)現(xiàn)分布式檢測(cè)。

OFDR技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，其基本原理已經(jīng)得到了深入研究，并出現(xiàn)了一些商業(yè)產(chǎn)品。目前限制該技術(shù)推廣的主要瓶頸在于掃頻光源較難實(shí)現(xiàn)且信號(hào)技術(shù)處理較難優(yōu)化。

●高性能OFDR技術(shù)需要大掃頻范圍與低相位噪聲的光源，目前只有機(jī)械調(diào)諧外腔二極管激光器才能同時(shí)實(shí)現(xiàn)100 nm級(jí)的掃頻范圍與100 kHz級(jí)瞬時(shí)線(xiàn)寬，而這種激光器的成本難以降低，使用壽命難以延長(zhǎng)；

●基于穩(wěn)頻激光和外調(diào)制方式的掃頻光源的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍比較小，高階邊帶調(diào)制、非線(xiàn)性效應(yīng)擴(kuò)頻等技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且調(diào)制范圍仍然很難超過(guò)幾個(gè)納米水平；

●基于電流直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器能夠以低成本實(shí)現(xiàn)數(shù)GHz至數(shù)十GHz的調(diào)諧范圍，但相位噪聲與掃頻非線(xiàn)性特性較差，需要研究其改進(jìn)方案；

●實(shí)時(shí)相位噪聲補(bǔ)償算法及信號(hào)分析均需要大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算，算法的優(yōu)化及專(zhuān)用處理電路的開(kāi)發(fā)還需要加強(qiáng)。

二、若干典型領(lǐng)域中的光纖傳感技術(shù)應(yīng)用情況

1、光纖氣體傳感技術(shù)

航天、航海、能源、食品衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)氣體探測(cè)的能力提出了愈來(lái)愈高的要求。目前常用的氣體檢測(cè)技術(shù)包括氣相色譜/質(zhì)譜分析，電化學(xué)、光離子化探測(cè)等，在測(cè)量精度、動(dòng)態(tài)范圍、氣體種類(lèi)、成本、體積、在線(xiàn)或遠(yuǎn)程測(cè)量等方面難以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的需求。

傳統(tǒng)的光譜學(xué)氣體傳感器由分立的光學(xué)元件構(gòu)成，使用空間氣室作為傳感單元，其體積較大，對(duì)準(zhǔn)比較困難。激光光譜技術(shù)具有選擇性好、無(wú)需標(biāo)記等優(yōu)點(diǎn)。尤其是，微納結(jié)構(gòu)光纖柔性好，可實(shí)現(xiàn)光與氣體在光纖中的長(zhǎng)距離相互作用并保持緊湊的氣室結(jié)構(gòu)。微納結(jié)構(gòu)光纖對(duì)光場(chǎng)的束縛強(qiáng)、模場(chǎng)尺寸小、能量密度高、和樣品重疊度高，可增強(qiáng)光與氣體的非線(xiàn)性作用，提高檢測(cè)靈敏度。

使用微納光纖自身作為氣室傳感單元，簡(jiǎn)化了光路之間的對(duì)準(zhǔn)和鏈接，有助于推動(dòng)光譜學(xué)測(cè)量技術(shù)向?qū)嵱没较虬l(fā)展，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程探測(cè)。利用微納光纖本身的光學(xué)模式、聲學(xué)模式及熱傳導(dǎo)等特性，可以實(shí)現(xiàn)新型高靈敏的氣體傳感器。傳感光纖可以是空芯光子帶隙光纖、空芯反諧振光纖或微納芯光纖。根據(jù)測(cè)量需要，工作波長(zhǎng)可選擇紫外、可見(jiàn)光或紅外波段。

首次應(yīng)用微納結(jié)構(gòu)光纖進(jìn)行氣體測(cè)量的報(bào)道可以追溯到2001年。最早研究中用的是實(shí)芯微結(jié)構(gòu)光纖，之后是空芯光纖。二十年來(lái)，研究人員在光纖氣室的設(shè)計(jì)和制作、響應(yīng)速度的提高、新型檢測(cè)方法、噪聲抑制、靈敏度的提高、動(dòng)態(tài)范圍的增大、系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高及實(shí)用化方面取得了令人矚目的進(jìn)展，如表1。

表1 微納結(jié)構(gòu)光纖氣體傳感技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)表

目前在實(shí)驗(yàn)室條件下，微納結(jié)構(gòu)光纖氣體傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種氣體(如甲烷、乙烷、乙炔、氨氣、一氧化碳、二氧化碳等)的測(cè)量，靈敏度已達(dá)到10-6至 10-12量級(jí)。面向不同領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，仍需解決如下主要問(wèn)題:

●探頭技術(shù)。優(yōu)化微納結(jié)構(gòu)光纖的模式和偏振特性以提升氣室的光學(xué)穩(wěn)定性，采用合適的防水、防污、防震封裝以適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。