1、项目技术情况简述: 随着密集波分复用DWDM技术、掺铒光纤放大器EDFA技术和光时分复用OTDR技术的发展和成熟,光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统的方向发展,并且逐步向全光网络演进。在光通信迅猛发展的带动下,光纤传感器作为传感器家族中年轻的一员,以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势,已迅速成长为年成交额超过10亿美金,并预计将于2010年拥有超过50亿美金市场的产业。每年由美国光学工程师学会(OSA主办的光纤传感国际会议(OFS)及时报道着光纤传感领域的最新进展,并对光纤传感及其相应技术进行有益的研讨。
当前,世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向:原理性研究与应用开发。随着光纤技术的日趋成熟,对光纤传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那样迅速地获得产业化,许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段,距商业化有一定的距离,因此光纤传感技术的原理性研究仍处于相当重要的位置。由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已相当成熟,可靠性和成本已得到公认,并已经被广泛采用的传统机电传感系统为目的, 所以尽管这些光纤传感器具有如电磁绝缘、高灵敏度、易复用等诸多优势,其市场渗透所面临的困难和挑战是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中占有明显优势,FBG和其它的光栅类传感器就是一个最好的例证。当前的原理性研究热点集中于光纤光栅(FBG和LPG)型传感器和分布式光纤传感系统两大板块。
FBG型光纤传感器自发明之日起,已走过了原理性研究和实验论证的百家争鸣阶段。目前成熟的FBG制作工艺已可形成小批量生产能力,而研究的焦点也转向解决高精度应用,完善解调和复用技术,以及降低成本等几个方向上。另一方面由于光纤传感器具有将传输与传感媒质合而为一的特性,使得沿布设路径上的光纤可全部成为敏感元件,因此,分布式传感成为光纤传感器与生俱来的优点。
对于光纤传感技术的应用研究主要有以下四大类:光(纤)层析成像技术(OCT,OPT)、智能材料(SMARTMATERIALS)、光纤陀螺与惯导系统(IFO,IMU)和常规工业工程传感器。另外,由于光纤通信市场需求的带动以及传感技术的特殊要求,新型器件和特种光纤的研究成果也层出不穷。目前传感器的应用领域主要有:
城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中,用于测试应力松驰、施工应力和动荷载应力,从而评估桥梁短期施工阶段和长期营运状态的结构性能。在电力系统,需要测定温度、电流等参数,如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等,由于电类传感器易受电磁场的干扰,无法在这类场合中使用,只能用光纤传感器。分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术,分布式光纤温度传感系统不仅具有普遍光纤传感器的优点,还具有对光纤沿线各点的温度的分布传感能力,利用这种特点我们可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点温度,定位精度可达米的量级,测量精度可达1度的水平,非常适用大范围交点测温的应用场合。
2、市场预测和发展趋势:
据全球领先的光通信市场和技术研究公司ElectroniCastConsult前不久发布了一份新的研究报告,关于点光纤传感器和连续分布式光纤传感器的全球消费量的调查分析。2010年,点光纤传感器的全球消费价值为5.95亿美元,预计未来五年该产品的消费价值将以9.83%的平均年增长 率在成长,2015年将达到9.51亿美元。另据ElectroniCast预测,在2010-2015年之间,连续分布式光纤传感器的消费价值将以平均每年近43%的速率在增长,由现在的4.35亿美元升至26.39亿美元因此本项目的成功将会带来很大的经济效益。
本项目将会在电力行业光纤传感器以光信号作为载体,光纤为媒质,光纤的纤芯材料为二氧化硅,因此,该传感器具有耐腐蚀、抗电磁干扰、防雷击等特点,属本质安全光纤本身轻细纤柔,光纤传感器的体积小、重量轻,不仅限于布设安装,而且对埋调部位的材料性能和力学参数影响甚小,能实现无损埋设。灵敏度高,可靠性好,使用寿命长。分布式光纤监测技术除了具有以上的特点外,还具有以下两个显著的优点:可以准确地测出光纤沿线任一点的监测量,信息量大,成果直观:光纤既作为传感器,又作为传输介质,结构简单,不仅方便工,潜在故障大大低于传统技术,可维护性强,而且性能价格比好。分布式光纤经久耐用,安全可靠,由它构成的网络可以遍布坝体,这些光纤网络犹如神经系统,可以感知坝体各部位相关信息,大坝因此而有望成为一种机敏结构。分布式光纤监测技术是当代高科技的结晶,是一种理想的大坝安全监测系统。
3、具体研究开发内容和要解决的技术关键问题:
建设内容:
1)布里渊散射传感系统对激光光源有特殊的要求,需要窄线宽、高功率、稳定性好的激光发射模块,而目前国内的光纤激光器功率和频率稳定性通常不高,因此如何通过增益材料、激光腔体、选模器件、封装材料等的设计或开发研制高性能的稳定的分布式传感系统发射源至关重要,也是本项目的主要创新点之一。
2)布里渊散射信号相当微弱(10),在这种情况下如何提高的检测信号信噪比、减少系统测量时间,实现快速而准确测量目前仍是国际上一项十分关键的技术难题。而采用先进的微波外差检测技术和布里渊时域反射分析技术开发高精度、高稳定度的应变、温度检测系统在国内外仍属于创新性课题。
3)分布式光纤传感系统的监测范围、距离分辨率、测量精度等参数受到激光光源系统和信号检测处理系统的许多因素制约,如何开发系统性能、降低系统成本成为分布式传感系统产业化的关键。
4)多物理量、多分布点的传感器的有效组网技术。系统包含位置、温度和应变多种传感参量, 每个参量所需的传感器数量和分布点要求各不相同,如何进行有效组网,简化网络结构,是研究的关键和难点之一。
5)在不影响输电线运营状态的条件下,在线健康监测用的传感光纤在城市高压输电电缆的合理有效封装和引出也是一个非常重要的关键技术。
6)拟采用的方法、原理及技术路线、工艺流程：
(1)拟采用如图1所示的长距离分布式布里渊光纤传感系统总体方案，其中激光光源采用自制和将 进一步提升的大功率单频磷酸盐光纤激光器，如图2所示，此激光器采用了超短腔结构，极大的改善光纤激光器的功率和频率稳定性。
(2)大功率单频光纤激光器的激光经耦合器分成两路，上面一路进入到一个布里渊光纤激光器中， 具体结构如图3所示，大功率单频光纤激光器的光作为布里渊光纤激光器的泵浦光，经过布里渊环形腔的非线性效应，形成布里渊激光器，输出激光频率相对大功率单频光纤激光器有约为 11GHz的频率下移，输出线宽在百Hz量级。
(3)大功率单频光纤激光器的激光经耦合器分成两路，下面一路经一个声光调制器AOM调制成10~100ns的脉冲光，经环形器进入到传感光纤中，传感光纤由普通单模光纤组成，当脉冲光在传感光纤中传输时，会有瑞利散射光和布里渊散射光反射回来，反射散射光经环形器进入到相干探测系统中，与上路的布里渊激光进行拍摄。
(4)相干探测系统如图4所示，此时由于布里渊散射光与上路布里渊激光的频差较小，在百MHz量级，而瑞利散射光与布里渊激光的拍摄频频差在11GHz附近，使用标准探测器进行探测，瑞利散射光则因拍摄频频差过高无法探测而被过滤掉，在较低频率范围内，通过锁频器等可以获得布里渊散射光的频率，频率精度可达kHz量级。
