圖3 uDAS地震儀架構示意圖及實物圖?！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，在數十個油田獲得規(guī)?；瘧茫贸晒脒x中國石油“2019年十大科技進展”。總體來看，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)的主要實現方案，不僅適用于中短距光纖網絡和光器件的狀態(tài)監(jiān)測，而且該技術結合光纖光柵光譜或瑞利后向散射信號的分析，可實現溫度、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分布式檢測。

OFDR技術經過幾十年的發(fā)展，其基本原理已經得到了深入研究，并出現了一些商業(yè)產品。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，目前只有機械調諧外腔二極管激光器才能同時實現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)頻激光和外調制方式的掃頻光源的波長調諧范圍比較小，高階邊帶調制、非線性效應擴頻等技術實現復雜，且調制范圍仍然很難超過幾個納米水平；

●基于電流直接調制的半導體激光器能夠以低成本實現數GHz至數十GHz的調諧范圍，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據運算，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，微納結構光纖柔性好，可實現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構。微納結構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實用化方向發(fā)展，便于實現遠程探測。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。

首次應用微納結構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構光纖，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 微納結構光纖氣體傳感技術發(fā)展簡表

目前在實驗室條件下，微納結構光纖氣體傳感器已經實現了對多種氣體(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)化微納結構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。