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

2014年是 Φ-OTDR/DAS 技術的發(fā)展爆發(fā)期；2019年uDAS光纖分布式地震儀通過了中國石油集團組織的成果鑒定，整體達到國際領先水平，在數(shù)十個油田獲得規(guī)?；瘧?，所得成果入選中國石油“2019年十大科技進展”?？傮w來看，目前Ф-OTDR/DAS技術正處于快速發(fā)展時期，有望在未來5年內(nèi)達到巔峰，成為新一代的分布式聲波（振動）傳感技術，具有不可替代性。然而，目前該技術仍存在以下問題：

●靈敏度仍有待提升；

●目前僅能感知外界擾動，無法判斷其方向，實現(xiàn)三分量聲波分布式傳感是一個難點；
●傳感距離仍有待增加，實現(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，將百米級距離頻響范圍拓展至超聲波段以實現(xiàn)無損探傷極具挑戰(zhàn)；

●檢測識別精度有待提升，改進復雜環(huán)境噪聲下弱信號的高精度檢測識別AI算法是一個難點。

7、OFDR光纖傳感技術

光反射探測技術是分布式光聽器的基礎，OFDR技術相對于OTDR技術在空間分辨率與動態(tài)范圍方面具有明顯的優(yōu)勢，是亞毫米到分米級分辨率的分布式傳感系統(tǒng)的主要實現(xiàn)方案，不僅適用于中短距光纖網(wǎng)絡和光器件的狀態(tài)監(jiān)測，而且該技術結(jié)合光纖光柵光譜或瑞利后向散射信號的分析，可實現(xiàn)溫度、應變、振動、形狀等外界物理參量的檢測。此外，OFDR技術是高性能的激光雷達和光學相干層析(OCT)等技術的重要實現(xiàn)方法。

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

OFDR技術經(jīng)過幾十年的發(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。目前限制該技術推廣的主要瓶頸在于掃頻光源較難實現(xiàn)且信號技術處理較難優(yōu)化。

●高性能OFDR技術需要大掃頻范圍與低相位噪聲的光源，目前只有機械調(diào)諧外腔二極管激光器才能同時實現(xiàn)100 nm級的掃頻范圍與100 kHz級瞬時線寬，而這種激光器的成本難以降低，使用壽命難以延長；

●基于穩(wěn)頻激光和外調(diào)制方式的掃頻光源的波長調(diào)諧范圍比較小，高階邊帶調(diào)制、非線性效應擴頻等技術實現(xiàn)復雜，且調(diào)制范圍仍然很難超過幾個納米水平；

●基于電流直接調(diào)制的半導體激光器能夠以低成本實現(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性特性較差，需要研究其改進方案；

●實時相位噪聲補償算法及信號分析均需要大量的數(shù)據(jù)運算，算法的優(yōu)化及專用處理電路的開發(fā)還需要加強。

二、若干典型領域中的光纖傳感技術應用情況

1、光纖氣體傳感技術

航天、航海、能源、食品衛(wèi)生、環(huán)境保護、醫(yī)學等領域的發(fā)展，對氣體探測的能力提出了愈來愈高的要求。目前常用的氣體檢測技術包括氣相色譜/質(zhì)譜分析，電化學、光離子化探測等，在測量精度、動態(tài)范圍、氣體種類、成本、體積、在線或遠程測量等方面難以滿足日益增長的需求。

傳統(tǒng)的光譜學氣體傳感器由分立的光學元件構(gòu)成，使用空間氣室作為傳感單元，其體積較大，對準比較困難。激光光譜技術具有選擇性好、無需標記等優(yōu)點。尤其是，微納結(jié)構(gòu)光纖柔性好，可實現(xiàn)光與氣體在光纖中的長距離相互作用并保持緊湊的氣室結(jié)構(gòu)。微納結(jié)構(gòu)光纖對光場的束縛強、模場尺寸小、能量密度高、和樣品重疊度高，可增強光與氣體的非線性作用，提高檢測靈敏度。

使用微納光纖自身作為氣室傳感單元，簡化了光路之間的對準和鏈接，有助于推動光譜學測量技術向?qū)嵱没较虬l(fā)展，便于實現(xiàn)遠程探測。利用微納光纖本身的光學模式、聲學模式及熱傳導等特性，可以實現(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)測量需要，工作波長可選擇紫外、可見光或紅外波段。

首次應用微納結(jié)構(gòu)光纖進行氣體測量的報道可以追溯到2001年。最早研究中用的是實芯微結(jié)構(gòu)光纖，之后是空芯光纖。二十年來，研究人員在光纖氣室的設計和制作、響應速度的提高、新型檢測方法、噪聲抑制、靈敏度的提高、動態(tài)范圍的增大、系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高及實用化方面取得了令人矚目的進展，如表1。

表1 微納結(jié)構(gòu)光纖氣體傳感技術發(fā)展簡表

目前在實驗室條件下，微納結(jié)構(gòu)光纖氣體傳感器已經(jīng)實現(xiàn)了對多種氣體(如甲烷、乙烷、乙炔、氨氣、一氧化碳、二氧化碳等)的測量，靈敏度已達到10-6至 10-12量級。面向不同領域的實際應用，仍需解決如下主要問題:

●探頭技術。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穩(wěn)定性，采用合適的防水、防污、防震封裝以適應不同的應用環(huán)境。