文 / 张文涛，中国科学院半导体研究所

一、为什么用光纤检波器？

光纤传感器是20世纪70年代兴起传感器在航空航天领域中的关键应用是什么的一种基于光导纤维的新型传感器，是光纤和光通信技术迅速发展的产物。光纤传感器将光纤同时作为敏感信息（如温度、压力、应变、振动等）的载体和传递敏感信息的介质，不需要依靠任何电子元件。相对于传统的传感器，光纤传感器具有电绝缘性能好、稳定性高、耐腐蚀性能好、高灵敏度等特点，可以应用在海底、井下等极端环境中，在现代传感器行业中拥有不可撼动的地位。

光纤检波器作为光纤传感器的一种，可以检测极其微弱的振动信号，在水声探测、油气资源勘探和隧道监测等领域有着广阔的应用前景。相对于目前使用较多的电学检波器，光纤检波器依靠什么脱颖而出呢？

（1）抗电磁干扰和信号串扰能力强

光纤检波器以光纤为敏感单元和传输媒介，而光纤本质为玻璃纤维，不属于导电体，不受外界电磁干扰，各个通道间串扰小，在野外环境中优势明显。

（2）防水、耐腐蚀、耐高温高压

光纤检波器的传感单元不需要供电，不存在电子器件，可在恶劣环境中应用。

（3）灵敏度高、可探测极微弱信号

以光纤干涉仪为基础的光纤检波器灵敏度高，可检测到的最小信号比电学类检波器低1个数量级以上金年会下载，进一步提升了检波器性能。

（4）频带宽

光纤检波器频带宽，可以实现甚低频到kHz的响应。

（5）动态范围大

传统电学检波器动态范围只有60~80 dB，而光纤检波器可以实现120~140 dB的超大动态范围。

（6）易复用、可实现高速率大数据量传输

一根光纤可以通过复用技术携带上百个波长的光信号，实现大数据量传输。

传统的电学检波器无法在高温、高压、腐蚀性强、地磁和电干扰等恶劣环境中应用，对于光纤检波器的研究是大势所趋。

二、光纤检波器有哪几种？

根据检测原理，光纤检波器可以分为四种类型：分布式光纤检波器、干涉式光纤检波器、光纤光栅式检波器和光纤激光式检波器。

分布式光纤检波器

分布式光纤检波器（目前，一般指分布式声音传感器，即DAS）是通过检测光纤中散射光信号实现声波信号检测，几乎可以检测出光纤上所有振动信息。 通常用两个指标来衡量探测分布式检波器的性能： 空间分辨率和信噪比。 空间分辨率决定了光纤检波器分开不同位置的能力，而信噪比则决定了灵敏度。

分布式光纤检波器集“传输”和“传感”于一体，一根光纤可以实现几十千米的全分布式实时测量，不存在测量盲区，成本低，是目前最先进、也是最受科研人员青睐的光纤检波器之一。然而，该类型检波器对于非光纤轴向引起的信号变化敏感度比较低，如果不增加特殊结构只能测量标量（声压）信号，如何解决分布式光纤检波器的矢量测量问题是未来重要的研究内容。

干涉式光纤检波器

干涉式光纤检波器是通过检测外界振动引起的干涉仪光谱变化实现检波，主要有四种类型：Michelson干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪、Fabry-Perot干涉仪和Sagnac干涉仪。

Michelson干涉式光纤检波器原理如图1，激光器发出的激光信号通过3 dB耦合器后一分为二，其中一路进入传感臂，另外一路进入参考臂，被终端的反射镜反射回原光路，最后经耦合器进行合束，形成干涉信号，光电探测器将该信号转为电信号后获得外界信号。本团队[1] 利用Michelson结构实现了三分量地震检波，检波器实物图如图2所示，可以全方位采集振动信号，最小检测精度可达10~5 rad/Hz1/2。

图1 Michelson干涉型光纤检波器

图2 三分量地震检波器实物图

Mach-Zehnder干涉式光纤检波器原理如图3所示，从激光器发出的激光信号经3 dB耦合器一分为二，一束进入传感臂，一束进入参考臂，在第二个3 dB耦合器的位置发生干涉。当振动信号作用在传感臂时，传感光纤发生应变，通过解调干涉信号的变化获取外界信息。该类型检波器灵敏度高、动态范围大，但是参考臂易受到外界影响，需要对其进行隔温隔振处理。

图3 Mach-Zehnder干涉型光纤检波器原理图

Fabry-Perot干涉式光纤检波器的原理图如图4所示，激光器发出的激光信号经由一对反射镜组成的Fabry-Perot腔后产生干涉信号，经由光电探测器转为电信号，后进行相关处理后解调出相关信息。

图4 Fabry-Perot干涉型光纤检波器原理图

Sagnac干涉式光纤检波器的原理图如图5所示，激光器发出的激光信号经过3×3耦合器后一分为二，在同一环路中沿顺时针和逆时针传播，到达耦合器干涉。外界振动信号导致光束相位发生改变，通过检测相位变化量和相遇时间获取外界振动信息。

图5 Sagnac干涉型光纤检波器原理图

干涉式光纤检波器灵敏度高、动态范围大，在微弱信号检测和传感器组网复用等方面具有极大优势，而且可以将传感臂缠绕在弹性体上，进一步提高灵敏度，并组装成多分量检波器，全方位检测外界振动信号。但是，传感系统尤其是探头部分比较复杂，导致在稳定性相位一致性等方面仍存在一定的问题，有待进一步解决。

光纤光栅式检波器

以光纤光栅为基础的光纤检波器是通过外界振动或应变使光纤布拉格光栅（FBG）的波长发生变化，解调后获得振动信息，可以实现对加速度、速度、位移和频率等物理量的测量，具有传输效率高、可记录矢量信号、灵敏度高、结构简单、易于组网复用等优点，是光纤检波器的主要类型之一。

该类型光纤检波器解决了油气勘探中的诸多问题，美国Paulsson公司和挪威Optoplan AS公司 [2,3] 均对该类型的光纤检波器展开了一系列研究，并进行了实验室和油田现场测试。结果表明，光纤光栅型检波器的灵敏度和信噪比比传统动圈式检波器高100倍以上，且可以耐上百摄氏度的高温，实现商业化应用。

国内香港理工大学、西安石油大学等单位也进行了相关研究，但是光纤光栅式检波器制作较为复杂，成本高，尤其是较长距离传感时，需要构建多个光栅传感器以实现准分布式传感，技术与国际先进水平仍存在一定差异，需要进一步加大研发力度，以实现技术突破。

光纤激光式检波器

光纤激光式检波器是直接利用光纤激光器作为敏感元件，当激光器腔长受到振动信号的调制时，激光输出发生变化，通过解调输出信号的变化获取外界振动信息。使用的光纤激光器主要包括两种类型：分布式布拉格反射（DBR）和分布反馈式（DFB）光纤激光器，结构分别如图6和图7所示。

图6 DBR光纤激光器原理图

图7 DFB光纤激光器原理图

DBR激光器是由一段稀土掺杂光纤（掺镱、铒、铥等稀土离子）作为增益介质，宽带光纤布拉格光栅（FBG）和窄带FBG作为谐振腔分别熔接在有源光纤两侧，实现激光输出。而DFB光纤激光器则是直接在稀土掺杂光纤上刻写相移光纤光栅（π-FBG）作为谐振腔。该类检波器具有体积小、线宽窄、噪声低和全光纤化等优点。

本团队曾在辽河油田利用光纤激光检波器进行3000 m油井测试 [4] ，测试情形如图8所示，并将测量结果和电学检波器进行了对比（图9）。可以看出，光纤检波器具有更高的相位一致性和清晰度。

图8 辽河油田井下试验照片

图9 光纤激光检波器(左)和电学检波器(右)测试结果

三、国内外研究和商业化水平

与电学检波器相比，光纤检波器具有更宽的频带范围和更长的覆盖范围，可以更好地抗电磁干扰，适合在狭小空间和恶劣环境下使用，国内外诸多单位对其进行研究并有商用产品问世。美国Luna公司于2021年推出的QuantX DAS系统是基于分布式声音传感原理，可以实现100 km的信号解调传感器在航空航天领域中的关键应用是什么；Paulsson公司利用光纤光栅传感原理，研制出了商业化的井下三分量检波器，灵敏度比电学检波器高100倍。英国Silixa公司的分布式声音传感iDASTM系统可以实现0.25 m的空间采样分辨率，传感距离为50 km传感器在航空航天领域中的关键应用是什么；而国内中国科学技术大学自主研制的DAS系统空间采样率和传感距离为1 m和40 km，与国外仍有一定差距。中国地质科学院与北京大学提出的DAS系统实现了-80 dB的超低信噪比水平，达到了国际领先水平，中国科学院半导体研究所研制的阵列式光纤检波器SemiPhase系统具有200通道以上同步解调能力，已经在多个工程项目中得到应用。

虽然目前一些系统已经达到商业化水平，但在多维多分量检测、系统稳定度、温度补偿、信号解调等技术方面，存在提升空间。在国际环境日趋复杂的背景下，我们更需要加大对光纤检波器的研究，突破技术瓶颈，迈向国际顶尖水平。

四、总结

灵敏度高、频带宽、动态范围大、抗电磁干扰、耐高温高压的光纤检波器是解决当前检波技术瓶颈的关键手段。干涉式光纤检波器和分布式光纤检波器已经从实验室走向工程实际应用。特别是分布式光纤检波器，只需要一根光纤，便可以实现高密度、多参数、多分量的连续性实时监测，在地震监测、管道泄露、电力电缆设施监测、油气藏勘探等工程领域具有广阔的发展前景。

为了进一步提高光纤检波器的性能，拓宽应用领域，还需继续在温度、应变、声波集一体的多分量、多参数实时监测与解调系统进行研究，未来还有很长的一段路要走。

参考文献：

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[1]Han J, Zhang W, Jiang D, et al. Fiber optic 3-component seismometer [J]. Photonic Sensors, 2014, 4(2): 102-7.

[2]Paulsson B N P, Thornburg J A, He R. A Fiber-Optic Borehole Seismic Vector and Acoustic Sensor System for Geothermal Site Characterization and Monitoring. Proceedings World Geothermal Congress 2015. 2015

[3]Knudsen S, Havsgård G B, Berg A, et al. High Resolution Fiber-Optic 3-C Seismic Sensor System for In-Well Imaging and Monitoring Applications. Optical fiber sensors. 2006

[4]Zhang W, Li F, Liu Y. Field test of an in-well fiber laser geophone array [M]//LIAO Y, JIN W, SAMPSON D D, et al. 22nd International Conference on Optical Fiber Sensors, Pts 1-3. 2012.

作者简介：张文涛博士，2008年毕业于中国科学院半导体研究所，现任中国科学院半导体研究所研究员、中国科学院大学岗位教授。长期从事光纤器件与光纤传感技术的研究，成果应用于地震监测、石油勘探、交通工程、深海探测等领域，与中石油、中石化、铁路总公司、航空航天、中国地震局等行业单位保持长期紧密合作。

张文涛博士累计发表论文200余篇，以第一发明人申请专利100余项，获得授权70余项，获得省部级科技进步一等奖2项、技术发明一等奖1项，作为项目/课题负责人承担国家、省部级和横向课题20余项。兼任全国专业计量技术委员会委员、中国光学工程学会光纤传感专家委员会委员、中国地球物理学会专家委员会委员、中国地震学会专家委员会委员、中国地震局地球物理研究所客座教授。