作者：光庫(kù)通訊（珠海）有限公司 葛 強(qiáng) 
前言
    大家所熟悉的光纖傳感一般指的布拉格光柵+ASE寬帶光源結(jié)構(gòu)的光時(shí)域反射機(jī)制，盡管在解調(diào)方面大多依賴國(guó)外產(chǎn)品，但這種解決方案還是得到了相對(duì)廣泛的應(yīng)用，尤其是在橋梁、建筑物、馬路和油罐等領(lǐng)域一般都可以滿足中低端的民用需求。 
    窄線寬單頻光纖激光器的出現(xiàn)為我們打開了光纖傳感的另一扇門，而且其應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)意義更為重大！不同于普通光纖傳感應(yīng)用，該解決方案是專門針對(duì)超遠(yuǎn)距離、超高精度和超高敏感度市場(chǎng)應(yīng)用的，主要有：石油勘探、軍事國(guó)防、管道監(jiān)控、激光雷達(dá)和海底通信等等，是光纖傳感技術(shù)發(fā)展之最新成就。 
    本文所介紹的光纖傳感技術(shù)起源于激光雷達(dá)的FMCW原理，采用相干探測(cè)進(jìn)行檢測(cè)，利用光纖本身進(jìn)行直接傳感，完全可以構(gòu)建低成本的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和現(xiàn)實(shí)意義。 
關(guān)鍵詞： 窄線寬激光器 相干探測(cè) 混頻 軍事 石油 
光纖傳感 
    受電信、半導(dǎo)體和消費(fèi)電子行業(yè)的推動(dòng)，光電技術(shù)和光纖技術(shù)在20世紀(jì)90年代取的了巨大成就。盡管這些行業(yè)在近幾年遭受很多阻力而陷入低谷，但是其中很多先進(jìn)技術(shù)卻在其它行業(yè)比如光纖傳感得到了全面發(fā)展，呈現(xiàn)出另一番蓬勃?dú)庀蟆９饫w傳感集成了在光纖技術(shù)、激光技術(shù)和光電探測(cè)等多領(lǐng)域所取得的巨大突破表現(xiàn)出極具活力和發(fā)展前途。同時(shí)，由于各相關(guān)光電子制造的成熟，它們的成本也大幅降低，大力推動(dòng)了光纖傳感的發(fā)展。 
與傳統(tǒng)傳感技術(shù)相比，基于光纖的傳感器主要有如下幾大優(yōu)勢(shì)： 
（1）重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、易多路復(fù)用 
（2）抗惡劣環(huán)境、抗電磁干擾、抗化學(xué)腐蝕 
（3）在傳感點(diǎn)無(wú)需用電、可以長(zhǎng)距離分布式傳感 
（4）可低成本大規(guī)模生產(chǎn) 
    繼光纖通訊后，光纖傳感迎來(lái)了重要的發(fā)展契機(jī)，在安保、軍事、石油/天然氣、電力以及科學(xué)研究方面享有廣泛而巨大的應(yīng)用價(jià)值，尤其是在西方發(fā)達(dá)國(guó)家更有燎原之勢(shì)，前途不可限量！ 
單頻光纖傳感技術(shù) 
    然而目前市場(chǎng)上尤其是在中國(guó)，布拉格光纖光柵（配備ASE寬帶光源）和基于光時(shí)域反射的分布式傳感器是應(yīng)用最為廣泛的光纖傳感技術(shù)，該技術(shù)基本上可以滿足中低端一般市場(chǎng)的需求而被業(yè)內(nèi)人士所熟知。而現(xiàn)在介紹的光譜線寬窄至2kHz的單頻光纖激光器，及其引申出來(lái)的最新一代光 
傳感技術(shù)完全有別于我們現(xiàn)在所樂(lè)道的光纖傳感。這種新的技術(shù)方案完全勝任電傳感和一般光纖傳感無(wú)法完成的高端市場(chǎng)對(duì)超遠(yuǎn)距離、超高精度和超高敏感的更高需求，而這在中國(guó)尚處于立項(xiàng)和預(yù)研階段。 
    采用單頻光纖激光器做光傳感，其光學(xué)原理就是光頻時(shí)域反射，或稱之為頻率調(diào)制連續(xù)波技術(shù)（FMCW）。在該技術(shù)里，從眾多傳感頭返回的信號(hào)光不再是被時(shí)間分割，而頻率。在該全新的光纖傳感系統(tǒng)里我們介紹的單頻光纖激光器具有如下鮮明特點(diǎn)： 
（1）功率連續(xù)輸出、波長(zhǎng)線性可調(diào) 
（2）光譜線寬2kHz、相干長(zhǎng)度100公里 
（3）頻率穩(wěn)定性10Mhz、相位噪聲比DFB激光器低2個(gè)數(shù)量級(jí) 
（4）天生的線偏振功能、絕對(duì)單橫/縱模 
    以上卓越的技術(shù)特點(diǎn)使得超高性能的光干涉?zhèn)鞲谐蔀榭赡芎同F(xiàn)實(shí)。基于FMCW技術(shù)的傳感系統(tǒng)可以通過(guò)PZT波長(zhǎng)調(diào)制功能充分利用該種激光器：從傳感頭返回的信號(hào)光與激光本機(jī)振器一起混頻，產(chǎn)生一個(gè)拍頻，然后再進(jìn)行電處理和分析，這就是我們所說(shuō)的相干探測(cè)。眾所周知，相干探測(cè)有別與直接探測(cè)之最大特點(diǎn)就是靈敏度極高和探測(cè)距離超遠(yuǎn)，它一般可以探測(cè)到百億分之一微弱的光信號(hào)，這是直接探測(cè)所不敢想象的。 
應(yīng)用領(lǐng)域 
1、安保/軍事 
    尤其是在美國(guó)9.11事件后，對(duì)生命財(cái)產(chǎn)和公共設(shè)施等的安全保護(hù)業(yè)已成為一個(gè)全球性的話題，且日益緊迫。光纖傳感解決方案廣泛應(yīng)用在包括軍事設(shè)施、機(jī)場(chǎng)、核電站和船舶等領(lǐng)域，可大大提升安全系數(shù)，尤其是在廣袤的國(guó)土邊界可實(shí)現(xiàn)高精度而低成本的實(shí)時(shí)傳感和探測(cè)，這對(duì)國(guó)防保護(hù)和國(guó)家安全具有重大意義！在軍事武器系統(tǒng)上，可應(yīng)用于潛艇通信、雷達(dá)、非致命武器、激光測(cè)距和水雷探測(cè)。而一般的民用的光纖傳感系統(tǒng)無(wú)法提供這些領(lǐng)域?qū)Ω呔�度和遠(yuǎn)距離的要求，采用單頻光纖激光器和相干探測(cè)幾乎是唯一但卻是最好的選擇。 
2、石油/天然氣 
    隨著原油價(jià)格的不斷上漲，以及探測(cè)新石油儲(chǔ)量日益困難，石油公司都在考慮如何從現(xiàn)成的油田 
開采出更多的石油。據(jù)美國(guó)石油工業(yè)消息稱，受目前地質(zhì)勘探技術(shù)的限制，我們一般只能開采出油田實(shí)際儲(chǔ)量的30%，而70%的石油儲(chǔ)量因?yàn)榭碧郊夹g(shù)的落后而未能被發(fā)現(xiàn)和開采利用，這是一個(gè)天大的浪費(fèi)！采用光纖傳感技術(shù)來(lái)探測(cè)石油可以實(shí)現(xiàn)油田70%儲(chǔ)量的探明量，整整提高了40%！同時(shí)，光傳感系統(tǒng)價(jià)格大大低于任何替代方案，極合適大規(guī)模應(yīng)用。
    另外，光傳感在石油鉆井和油/氣輸送管道上能大幅度地提高對(duì)壓力和溫度的測(cè)量。目前全球總共有880,000口石油井，而且每年新增80,000口。而目前這些油井絕大部分是通過(guò)電子監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)測(cè)量井下的壓力和溫度，這些電子系統(tǒng)在傳感點(diǎn)上都需要用電，同時(shí)所需器件價(jià)格十分昂貴，既不安全又不經(jīng)濟(jì)。光纖傳感應(yīng)該取而代之，實(shí)在必行。 
    單就北美國(guó)家就有200萬(wàn)公里長(zhǎng)的石油/天然氣輸送管道，全球大約有500萬(wàn)公里。如何確保這些管道的安全？目前一般的做法，也是最笨的方法，就是派人開車或乘專機(jī)沿著管道路線一路巡邏下去。無(wú)疑這不但勞民傷財(cái)，而且效率很低，很多潛在問(wèn)題都無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)而終成大錯(cuò)。采用單頻光纖激光器做成的分布式光纖傳感系統(tǒng)可同時(shí)探測(cè)溫度和壓力兩個(gè)參數(shù)，對(duì)超過(guò)100公里長(zhǎng)的運(yùn)輸管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，隨時(shí)找到潛在危險(xiǎn)。 
3、電力系統(tǒng) 
    在美國(guó)大約有200,000公里的高壓電源線，而據(jù)美國(guó)電力研究院估計(jì)，因?yàn)閷?duì)高壓電線的壓力和溫度缺乏精確測(cè)量，美國(guó)每年都要丟失數(shù)十億美元的電能。那么在中國(guó)呢？一套單頻光纖激光器組成的分布式的光纖傳感系統(tǒng)可以提供溫度小于1°C、壓力小于10-6 的精度，傳感距離超過(guò)100公里，實(shí)時(shí)監(jiān)控。 
研究和開發(fā) 
    除了以上傳感市場(chǎng)外，科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)單位，如各種高校、政府代理，他們對(duì)長(zhǎng)相干長(zhǎng)度、低相位噪聲的光源越來(lái)越感興趣。大學(xué)和研究實(shí)驗(yàn)室一般傾向于購(gòu)買我們高功率的單頻光纖激光器（最大功率可達(dá)5W）來(lái)做他們的各種實(shí)驗(yàn)，這包括電子工程、物理研究、激光和光學(xué)等等。