●光學(xué)解調(diào)技術(shù)。光學(xué)干涉相位檢測系統(tǒng)需具有高靈敏、大動態(tài)范圍、穩(wěn)定、小型化和低成本的特點(diǎn)。

●光源技術(shù)。不同波段，尤其是紅外波段的低成本、可調(diào)諧、窄線寬激光器是高靈敏多組分氣體測量的關(guān)鍵器件。

2、光纖三維形狀傳感技術(shù)

如果想要對一個動態(tài)的物體進(jìn)行跟蹤，在缺乏視覺接觸的情況下，形狀感知就顯得特別關(guān)鍵。近年來，基于光纖形狀的傳感方法受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。光纖形狀傳感器為傳統(tǒng)的形狀感知提供了一種非常有效的替代方法，它允許對形狀進(jìn)行連續(xù)、動態(tài)、直接的跟蹤，而不需要視覺接觸。光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、靈活性強(qiáng)、嵌入能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以很好地附著在被監(jiān)測的物體上，同時保證了安裝的方便性和形狀跟蹤的有效性。這些優(yōu)勢使得其在醫(yī)療、能源、國防、航空航天、結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測以及其他智能結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。圖1是全部國產(chǎn)化的四芯光纖三維形狀傳感系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵部件。

圖1 基于四芯光纖的三維形狀傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵部件

實際應(yīng)用中，如輸油管線、橋梁結(jié)構(gòu)等大尺度三維形狀傳感場景，適合將多根單芯光纖與待測物進(jìn)行組合，并使用布里淵光時域反射技術(shù)監(jiān)測其形狀變化；而對于中等尺度或小尺度應(yīng)用場景，例如機(jī)器人、柔性醫(yī)用器械等，則適合采用多芯光纖陣列FBG解調(diào)技術(shù)或者分布式OFDR的曲率積分及形狀重構(gòu)的方法，來實現(xiàn)較高精度的三維形狀感測。其中，該技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域最具有發(fā)展?jié)摿Α?

光纖三維形狀傳感技術(shù)的發(fā)展思路有兩個：一是采用多芯光纖；二是采用多根單芯光纖與柱狀結(jié)構(gòu)物相結(jié)合的方式實現(xiàn)三維形狀傳感。這里談的主要基于第一種思路。表2為基于多芯光纖的三維形狀傳感技術(shù)發(fā)展梗概。

表2 多芯光纖三維形狀傳感技術(shù)發(fā)展簡表

光纖三維形狀傳感技術(shù)經(jīng)過近二十年的快速發(fā)展，目前該項技術(shù)涉及的關(guān)鍵器件已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)全部國產(chǎn)化，接近實際應(yīng)用的水平。國內(nèi)有多家單位相繼開展了有關(guān)研究，桂林電子科技大學(xué)所研制的基于多芯光纖光柵三維形狀傳感系統(tǒng)具有動態(tài)三維形狀感測能力，為工程化應(yīng)用提供了各項關(guān)鍵技術(shù)，近年來逐步應(yīng)用于若干領(lǐng)域，其面臨的主要問題是:

●目前使用的多芯光纖的纖芯間距較小，其精度相對于較大纖芯間距的光纖形狀傳感器還有一定差距。

●多芯光纖相關(guān)器件性能及技術(shù)的提升，是多芯光纖形狀傳感技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵，如低損耗多芯光纖扇入扇出器件、方便可靠的熔接技術(shù)以及低損耗活動連接技術(shù)等。

●無論是基于多芯光纖光柵陣列的解調(diào)技術(shù)，還是基于多芯光纖OFDR的解調(diào)方案，三維重構(gòu)算法都有待于進(jìn)一步的改進(jìn)。

●多芯光纖及其光器件還沒有統(tǒng)一的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不同器件兼容性較差，難以降低成本并推進(jìn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。

3、煤礦光纖傳感技術(shù)

光纖傳感器無需供電，對于煤礦井下易燃易爆氣體監(jiān)測和長距離多點(diǎn)巷道圍巖變形、巖石應(yīng)力等在線監(jiān)測具有獨(dú)特優(yōu)勢。

近二十年來，半導(dǎo)體激光甲烷傳感器（如圖2）的研發(fā)和煤礦應(yīng)用工程化技術(shù)的研究較多，經(jīng)歷了從實驗室原理驗證到工程樣機(jī)，再到近10萬只光纖傳感器在一千余座煤礦的規(guī)?；瘧?yīng)用。激光甲烷傳感器具有全量程、免標(biāo)校、高選擇性、長期穩(wěn)定可靠性等獨(dú)特優(yōu)勢，已得到了煤礦行業(yè)的普遍認(rèn)可，并逐步替代傳統(tǒng)催化燃燒式甲烷傳感器。2016年12月底原國家煤礦安全監(jiān)察局在《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級技術(shù)方案》中明確指出推薦使用先進(jìn)傳感器，包括全量程、低功耗、自診斷功能的激光甲烷傳感器，這標(biāo)志著激光甲烷傳感器正式進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用。

圖2 激光甲烷傳感器模塊和激光甲烷便攜儀

此外，基于拉曼散射原理和多模光纖的光纖分布式溫度傳感器在煤礦采空區(qū)自燃發(fā)火隱患在線監(jiān)測及預(yù)警定位方面展現(xiàn)了獨(dú)特的作用，解決了采空區(qū)火災(zāi)隱患電子傳感器存在檢測盲區(qū)的難題，該類傳感器經(jīng)歷了從隔爆兼本安型到低功耗本安型礦用儀器的升級過程，現(xiàn)已在全國數(shù)百個煤礦中對采空區(qū)和膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行火災(zāi)隱患監(jiān)測預(yù)警方面得到了應(yīng)用。