作者：光庫通訊（珠海）有限公司 葛 強 
前言
    大家所熟悉的光纖傳感一般指的布拉格光柵+ASE寬帶光源結構的光時域反射機制，盡管在解調(diào)方面大多依賴國外產(chǎn)品，但這種解決方案還是得到了相對廣泛的應用，尤其是在橋梁、建筑物、馬路和油罐等領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，而且其應用價值和社會意義更為重大！不同于普通光纖傳感應用，該解決方案是專門針對超遠距離、超高精度和超高敏感度市場應用的，主要有：石油勘探、軍事國防、管道監(jiān)控、激光雷達和海底通信等等，是光纖傳感技術發(fā)展之最新成就。 
    本文所介紹的光纖傳感技術起源于激光雷達的FMCW原理，采用相干探測進行檢測，利用光纖本身進行直接傳感，完全可以構建低成本的分布式傳感網(wǎng)絡，具有巨大的經(jīng)濟效益和現(xiàn)實意義。 
關鍵詞： 窄線寬激光器 相干探測 混頻 軍事 石油 
光纖傳感 
    受電信、半導體和消費電子行業(yè)的推動，光電技術和光纖技術在20世紀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，但是其中很多先進技術卻在其它行業(yè)比如光纖傳感得到了全面發(fā)展，呈現(xiàn)出另一番蓬勃氣象。光纖傳感集成了在光纖技術、激光技術和光電探測等多領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，由于各相關光電子制造的成熟，它們的成本也大幅降低，大力推動了光纖傳感的發(fā)展。 
與傳統(tǒng)傳感技術相比，基于光纖的傳感器主要有如下幾大優(yōu)勢： 
（1）重量輕、結構緊湊、易多路復用 
（2）抗惡劣環(huán)境、抗電磁干擾、抗化學腐蝕 
（3）在傳感點無需用電、可以長距離分布式傳感 
（4）可低成本大規(guī)模生產(chǎn) 
    繼光纖通訊后，光纖傳感迎來了重要的發(fā)展契機，在安保、軍事、石油/天然氣、電力以及科學研究方面享有廣泛而巨大的應用價值，尤其是在西方發(fā)達國家更有燎原之勢，前途不可限量！ 
單頻光纖傳感技術 
    然而目前市場上尤其是在中國，布拉格光纖光柵（配備ASE寬帶光源）和基于光時域反射的分布式傳感器是應用最為廣泛的光纖傳感技術，該技術基本上可以滿足中低端一般市場的需求而被業(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，及其引申出來的最新一代光 
傳感技術完全有別于我們現(xiàn)在所樂道的光纖傳感。這種新的技術方案完全勝任電傳感和一般光纖傳感無法完成的高端市場對超遠距離、超高精度和超高敏感的更高需求，而這在中國尚處于立項和預研階段。 
    采用單頻光纖激光器做光傳感，其光學原理就是光頻時域反射，或稱之為頻率調(diào)制連續(xù)波技術（FMCW）。在該技術里，從眾多傳感頭返回的信號光不再是被時間分割，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： 
（1）功率連續(xù)輸出、波長線性可調(diào) 
（2）光譜線寬2kHz、相干長度100公里 
（3）頻率穩(wěn)定性10Mhz、相位噪聲比DFB激光器低2個數(shù)量級 
（4）天生的線偏振功能、絕對單橫/縱模 
    以上卓越的技術特點使得超高性能的光干涉?zhèn)鞲谐蔀榭赡芎同F(xiàn)實。基于FMCW技術的傳感系統(tǒng)可以通過PZT波長調(diào)制功能充分利用該種激光器：從傳感頭返回的信號光與激光本機振器一起混頻，產(chǎn)生一個拍頻，然后再進行電處理和分析，這就是我們所說的相干探測。眾所周知，相干探測有別與直接探測之最大特點就是靈敏度極高和探測距離超遠，它一般可以探測到百億分之一微弱的光信號，這是直接探測所不敢想象的。 
應用領域 
1、安保/軍事 
    尤其是在美國9.11事件后，對生命財產(chǎn)和公共設施等的安全保護業(yè)已成為一個全球性的話題，且日益緊迫。光纖傳感解決方案廣泛應用在包括軍事設施、機場、核電站和船舶等領域，可大大提升安全系數(shù)，尤其是在廣袤的國土邊界可實現(xiàn)高精度而低成本的實時傳感和探測，這對國防保護和國家安全具有重大意義！在軍事武器系統(tǒng)上，可應用于潛艇通信、雷達、非致命武器、激光測距和水雷探測。而一般的民用的光纖傳感系統(tǒng)無法提供這些領域對高精度和遠距離的要求，采用單頻光纖激光器和相干探測幾乎是唯一但卻是最好的選擇。 
2、石油/天然氣 
    隨著原油價格的不斷上漲，以及探測新石油儲量日益困難，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)美國石油工業(yè)消息稱，受目前地質勘探技術的限制，我們一般只能開采出油田實際儲量的30%，而70%的石油儲量因為勘探技術的落后而未能被發(fā)現(xiàn)和開采利用，這是一個天大的浪費！采用光纖傳感技術來探測石油可以實現(xiàn)油田70%儲量的探明量，整整提高了40%！同時，光傳感系統(tǒng)價格大大低于任何替代方案，極合適大規(guī)模應用。
    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壓力和溫度的測量。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電子監(jiān)控系統(tǒng)來測量井下的壓力和溫度，這些電子系統(tǒng)在傳感點上都需要用電，同時所需器件價格十分昂貴，既不安全又不經(jīng)濟。光纖傳感應該取而代之，實在必行。 
    單就北美國家就有200萬公里長的石油/天然氣輸送管道，全球大約有500萬公里。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沿著管道路線一路巡邏下去。無疑這不但勞民傷財，而且效率很低，很多潛在問題都無法及時發(fā)現(xiàn)而終成大錯。采用單頻光纖激光器做成的分布式光纖傳感系統(tǒng)可同時探測溫度和壓力兩個參數(shù)，對超過100公里長的運輸管道進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)問題，隨時找到潛在危險。 
3、電力系統(tǒng) 
    在美國大約有200,000公里的高壓電源線，而據(jù)美國電力研究院估計，因為對高壓電線的壓力和溫度缺乏精確測量，美國每年都要丟失數(shù)十億美元的電能。那么在中國呢？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100公里，實時監(jiān)控。 
研究和開發(fā) 
    除了以上傳感市場外，科學研究和技術開發(fā)單位，如各種高校、政府代理，他們對長相干長度、低相位噪聲的光源越來越感興趣。大學和研究實驗室一般傾向于購買我們高功率的單頻光纖激光器（最大功率可達5W）來做他們的各種實驗，這包括電子工程、物理研究、激光和光學等等。