坚持协同创新之路让光纤传感技术更好地服务祖(2)

阵列式光纤传感系统

科技是国家强盛之基，创新是民族进步之魂，张文涛博士一直在创新之路上开拓进取。张文涛作为中国科学院半导体所研究员，多年来从事光纤传感技术方面的研究，并荣获省部级科技进步和技术发明一等奖3项。

由张文涛博士负责的阵列式光纤传感系统课题组，主要针对国家安全、能源安全、智慧城市等领域的战略需求，开展弱光栅阵列传感系统、光纤地震监测网络、阵列式光纤水听器的研究。

在光纤地震监测网络方面，突破了0.1 nε量级高精度光纤光栅静态应变信号解调及宽频带光纤光栅地震计频响控制技术，研制出16通道的地震、形变、温度一体化集成多参量光纤地震监测网络，地震分量灵敏度优于330 pm/g、频带范围达到0.01～50 Hz，形变分量分辨率优于1×10-11，温度分量分辨率优于1×10-4℃，在北京白家疃地震台、安徽省金寨地震台建立了多参量光纤地震监测示范系统，可记录到数千公里外的地震波、固体潮汐以及微小的温度波动信号，入选了“中科院自主研制仪器”、应急部“地震科技创新成果”。光纤地震传感网络代表性研究成果如图1所示。

在光纤水听器阵列研究方面，突破了光纤水听器灵敏度倍增及分/波分混合复用组网技术，光纤水听器探头灵敏度达到-117 dB，并实现了256基元光纤水听器阵列，在湖南宁乡黄材水库湖试中取得了良好的效果。

图1 多参量光纤地震传感系统及其记录的地壳形变、地震与温度信号

分布式光纤传感系统

分布式光纤传感系统课题组主要研究开发分布式振动传感技术、分布式声传感技术和分布式温度应变传感技术。

该课题是由上海交通大学长聘教授樊昕昱负责，多年来他一直专注于光纤传感与特种光纤光纤器件与系统的研究，而且不断向该领域的技术广度和深度进军。同时，樊昕昱教授还担任中国光学工程学会光纤传感技术专委会常务理事、Opt. Express期刊客座编辑、Chin. Opt. Lett.期刊编委。

该课题将双向分布式拉曼放大技术应用于基于时间门数字式光频域反射仪（TGD-OFDR）的分布式光纤振动系统，并结合去衰落噪声算法，实现108 km传感距离，5 m空间分辨率以及220 pε/√Hz应变测量分辨率。

针对提高频率响应及系统信噪比，该课题还研究了基于相位生成载波解调的分布式声传感（DAS）系统，实现了传感距离10 km，空间分辨率7 m，最高响应频率2.5 kHz，信噪比61 dB的相位实时解调系统。DAS系统经过三次技术迭代后，开展了浅层地震探测与垂直地震剖面检测的野外应用试验。与传统电学动圈检波器取得的地震资料进行了对比分析，确认结果基本一致。通过对比欠耦合光缆和固井光缆采集的数据，确认固井光缆有助于获取更高质量的地震资料。

在光纤分布式温度应变传感系统方面，研究有拉曼放大条件下的布里渊光时域分析法（BOTDA）系统，该课题实现传感距离180 km，温度分辨率1℃，距离分辨率4 m的分布式温度应变传感，且单频点测量时间控制在4s以内（见图2）。

光纤传感系统应用示范

没有挺得起腰的科学家精神，就很难有站得住脚的科学成果。光纤传感系统应用示范课题是由江山工程师负责，江山不仅是教授级高级工程师、中国光学学会高级会员/第六届理事会理事、中国通信学会高级会员，而且还是国家“十五”863计划新材料领域光电子材料及器件主题专家。

通过该项目的实施，初步实现光纤传感在恶劣环境下重大基础设施周界安全、结构安全、海洋安全和能源安全等领域的示范应用。

一是管线与周界安全监测系统。开发在线放大和相干光时域弱信号提取技术，对入侵事件进行破坏预警和定位。选取描述振动信号片段特征，综合时域、频域算法, 引入信号模式识别分类器进行事件类别区分，使系统具有报警高准确率及低误报率。

二是桥隧安全监测系统。研究出适用于桥梁隧道结构监测的各类光纤传感器设计，用特种光缆设计开发分布式应变、温度监测传感器、施工工艺以及结构监测系统集成技术。建立网络化的信息管理平台，实现数据展示和信息管理功能。

图2 结合分布式拉曼放大的DAS实验系统图及振动信号测量结果

三是海洋油气开发光纤井下温度压力监测系统。针对油气井下温度压力长期实时监测的需求，通过对材料、结构及制作工艺等方面深入研究，解决井下传感器及光缆耐高温高压、耐腐蚀、抗氢损等问题，实现长寿命、高可靠井下温度压力实时监测。

文章来源：《上海交通大学学报》 网址: http://www.shjtdxxb.cn/qikandaodu/2021/0623/770.html