?。ㄒ唬?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/光纖技術(shù)" title="光纖技術(shù)" target="_blank">光纖技術(shù)的歷史回顧

 

　　瑞典皇家科學(xué)院2009年10月6日宣布，將2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予包括英國華裔科學(xué)家高錕在內(nèi)的3位科學(xué)家。

 

　　高錕先生，1933年生于中國上海，1957年和1965年分別取得英國倫敦大學(xué)電機(jī)工程學(xué)士和博士學(xué)位，曾任香港中文大學(xué)校長。世稱“光纖之父”。

 

　　信息傳輸自古至今都是人們生活不可或缺的一部分，從古代社會(huì)的烽火臺(tái)到郵驛，再到19世紀(jì)人們發(fā)明了電報(bào)、電話等通過電子媒介進(jìn)行信息傳輸；隨著人們對(duì)信息需求的不斷提高，人們?cè)絹碓狡惹行枰獙ふ业揭环N高速、便捷、傳輸距離長同時(shí)還要兼具制造成本低廉的信息傳輸媒介。1935年在美國紐約和費(fèi)城之間敷設(shè)了第一根用于長途通信的同軸電纜。在上世紀(jì)50 ~ 60年代期間，為了進(jìn)一步探索未來大容量通信的傳輸線路，業(yè)界曾致力于毫米波H01 型模的金屬園波導(dǎo)管及超導(dǎo)同軸電纜的探索與開發(fā)，但均未獲得突破。

 

　　1966年，在英國ITT標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)室（此為ITT在歐洲的核心研究機(jī)構(gòu)）工作期間，高錕發(fā)表了一篇題為《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》的論文，開創(chuàng)性地提出光導(dǎo)纖維在通信上應(yīng)用的基本原理，描述了長途及高信息量光通信所需介質(zhì)纖維的結(jié)構(gòu)和材料特性。當(dāng)時(shí)， 主流學(xué)者的共識(shí)是；玻璃中光損耗太高，光纖雖然可用在短短的胃鏡導(dǎo)管上，但用于長距離通信根本不可能。高錕先生卻不信其邪。他對(duì)通信系統(tǒng)詳細(xì)分析后指出；當(dāng)光損耗下降到20dB/Km時(shí)，玻璃纖維就有實(shí)用價(jià)值。他通過對(duì)光在玻璃纖維中吸收、散射和彎曲損耗機(jī)理的深入分析后得出結(jié)論：只要解決好玻璃純度和成分等問題，用熔石英制作的光學(xué)纖維可以成為實(shí)用的光通信傳輸媒質(zhì)。這一設(shè)想提出之后，有人稱之為匪夷所思，也有人對(duì)此大加褒揚(yáng)。但在爭(zhēng)論中，高錕的原創(chuàng)性工作在全世界掀起了一場(chǎng)光纖通信的革命。

 

　　在高錕原創(chuàng)性理論的推動(dòng)下，4年后，美國康寧公司的工程天才Robert D. Maurer于1970年設(shè)計(jì)和制成世界上第一根低損耗石英光纖（損耗為20dB/Km，波長為0.63 μm）。他采用的方法，是在一根芯棒上氣相沉積石英玻璃，隨后抽去芯棒，將玻璃管燒縮成光棒后拉成光纖。氣相沉積時(shí)通過改變玻璃組分，形成高折射率的纖芯和低折射率的包層的光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，此光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被一直沿用至今。

　　1974年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的John MacChesney 開發(fā)出MCVD（改良的化學(xué)氣相沉積）工藝，成為世界上第一個(gè)商用制棒技術(shù)，迅速被世界各國采用，及時(shí)地推動(dòng)了光纖通信的實(shí)用化。

 

　　鑒于高錕、Robert D. Maurer和John MacChesney在光纖技術(shù)的奠基性工作和巨大成就，1999年他們?nèi)顺蔀楣こ探缱罡擢?jiǎng)項(xiàng)的NAE Charles Stark Draper獎(jiǎng)的共同得主。

 

　　光纖制造技術(shù)在上世紀(jì)七十年代得到長足的發(fā)展，繼美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的MCVD制棒技術(shù)后， 美國康寧公司的OVD（管外氣相沉積）、日本NTT公司的VAD（軸向氣相沉積）以及荷蘭菲利浦公司的PCVD（等離子化學(xué)氣相沉積）制棒技術(shù)相繼開發(fā)成功。光纖損耗在1979年已降低到0.2dB/Km(波長為1550nm時(shí))，這已接近由瑞利散射損耗所決定的極限值了。

 

　　隨著光纖制造技術(shù)發(fā)展，光纖波導(dǎo)傳輸理論在上世紀(jì)七十年代也得到長足的發(fā)展，從而為光纖技術(shù)的發(fā)展和實(shí)用化奠定了理論基礎(chǔ)。光纖波導(dǎo)理論源起于上世紀(jì)20年代初Debye（1910）的介質(zhì)波導(dǎo)理論，但由于光在光纖中的損耗機(jī)理、光纖波導(dǎo)的弱導(dǎo)性、微小的光纖截面尺寸以及其它傳輸特性均與微波介質(zhì)波導(dǎo)不相同，故光纖波導(dǎo)理論是一門獨(dú)立的理論。一大批學(xué)者為此作出了原創(chuàng)性的貢獻(xiàn)， 有關(guān)文獻(xiàn)浩如煙海。這里僅擷數(shù)例，以窺一斑：如Snyder A.W. （1969）和Gloge，D.（1971） 基于光纖波導(dǎo)的弱導(dǎo)性，即（n1-n2）<< n1 (n1和n2分別為光纖纖芯和包層的折射率)， 將經(jīng)典的模式（兩重和四重）簡并為線性偏振 (LP) 模， 從而大大簡化了光纖波導(dǎo)的理論分析；Keck，D.B.， Olshansky ，R. 和Petermann，K.等學(xué)者對(duì)光在光纖中各種損耗機(jī)理的理論研究為低損耗光纖制造提供了理論依據(jù)；Jeunhomme，L.，Marcuse，D. 和 Gambling W.A. 等學(xué)者對(duì)光纖波導(dǎo)的色散性能的研究則為G.655， G.656等色散位移光纖的開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。

 

　　在華盛頓和波士頓之間的世界上第一條商用光纖通信系統(tǒng)于1981年建成。短短幾十年間，光纖網(wǎng)絡(luò)已遍布全球，至今已在全球敷設(shè)了數(shù)億公里的光纖，成為互聯(lián)網(wǎng)、全球信息通信的基礎(chǔ)。光纖的發(fā)明不但解決了信息長距離傳輸?shù)膯栴}，而且極大地提高了效率并降低了成本。今天，二氧化硅光纖已成為通信系統(tǒng)的基石，就如同硅集成電路是計(jì)算機(jī)的基石一樣。

 

　　今因光纖技術(shù)而催生的產(chǎn)業(yè)龐大得無法估計(jì)；從光纖光纜的制造，到光纖網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)；從通信網(wǎng)、電視網(wǎng)到互聯(lián)網(wǎng)；從打網(wǎng)絡(luò)游戲到看高清電視，光纖已成為整個(gè)人類信息社會(huì)的基礎(chǔ)。諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)是如此描述神奇的光纖：“光波流動(dòng)在纖細(xì)的光纖中，它攜帶著各種信息數(shù)據(jù)傳遞向每一個(gè)方向，文本、音樂、圖 片和視頻因此能在瞬間傳遍全球。”

 

　　與傳統(tǒng)的導(dǎo)電材料銅不同，銅是不可再生資源，再過幾十年，地球上銅礦必將開采殆盡。自從西門子公司開發(fā)出第一根銅質(zhì)通信電纜至今，已逾一百年。再也沒有另外一百年的銅資源可資利用了。而光纖的材料，二氧化硅及其摻雜材料均是地球上取之不盡，用之不竭的物質(zhì)，是大自然恩賜于人類的無窮的財(cái)富。光纖的價(jià)格之低廉也是任何其他傳輸媒質(zhì)無法比擬的。每公里G.652光纖價(jià)格已從初期的上千元下降到目前的七十多元人民幣。今天，應(yīng)用最廣泛的G.652光纖，其結(jié)構(gòu)(階躍型折射率剖面) 之簡單，其性能之優(yōu)越，價(jià)格之低廉已無有能望其項(xiàng)背者。G.657光纖的出現(xiàn)，也將原先人們對(duì)光纖“脆弱易折”的觀感一掃而空。光纖到戶（FTTH）時(shí)代的來臨，已指日可待。

 

　?。ǘ┕饫w通信與光纖傳感

 

　　光纖技術(shù)正在向兩個(gè)方向發(fā)展；第一波是光纖通信技術(shù)，第二波則是隨之而來的光纖傳感技術(shù)。光纖通信技術(shù)歷經(jīng)30余年的發(fā)展，日臻成熟；光纖傳感技術(shù)則是方興未艾。后者也正在借助光纖通信技術(shù)的成果處于迅速發(fā)展中。

　　進(jìn)入二十世紀(jì)90年代后，由于光纖放大器及光纖波分復(fù)用技術(shù)的迅速發(fā)展，使光纖通信的通信距離和通信容量的拓展發(fā)揮到極致。G.653光纖迅速被G.655，G.656光纖趕出歷史舞臺(tái)。目前，單一波長的傳輸容量已從2.5Gbit/s，10 Gbit/s發(fā)展到40 Gbit/s.，并已開始160 Gbit/s的研究。DWDM的波長間隔已從1.6nm，0.8nm減小到0.4nm(50GHz)。全波光纖的技術(shù)突破，使1385nm波長的水峰損耗消失，遂令第五波段（1360nm-1530nm）“天塹變通途”，使單模光纖的有效使用波段擴(kuò)展為從1280nm-1625nm的石英光纖低損耗區(qū)的全部波段?？梢韵胍?，在一根光纖上同時(shí)傳送千萬路電話已不再是人類的夢(mèng)想的了。

 

　　光纖傳感技術(shù)是與光纖通信技術(shù)相伴而生的光纖技術(shù)發(fā)展的又一方向。它已由零星研究走向集中開發(fā)、由軍用催生民用、由單點(diǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展到分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域之廣、其市場(chǎng)潛力之大、其發(fā)展勢(shì)頭之猛已令萬眾矚目。與傳統(tǒng)的傳感技術(shù)相比，光纖傳感器的優(yōu)勢(shì)是本身的物性特性而不是功能特性。光波在光纖中傳播時(shí)，在外界因素，如溫度、壓力、位移、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等的作用下，通過光的反射、折射和吸收效應(yīng)，光學(xué)多普勒效應(yīng)、聲光、電光、磁光、彈光效應(yīng)，Sagnac效應(yīng)和光聲效應(yīng)等原理，使表征光波的特征參量：振幅、相位、偏振態(tài)、波長等，直接或間接地發(fā)生變化，因而可將光纖用作敏感元件來探測(cè)各種物理量，此即光纖傳感器的基本原理。此外，光纖還有各種衍生的傳感功能，例如，光纖光柵周圍化學(xué)物質(zhì)濃度的變化通過倏逝場(chǎng)影響光柵的布拉格波長，利用這種特性，通過對(duì)光纖光柵進(jìn)行特殊處理，可制成探測(cè)各種化學(xué)物質(zhì)的光纖光柵化學(xué)和生物化學(xué)傳感器。與普通光纖光柵相比，長周期光柵對(duì)光纖包層外材料的折射率變化更敏感，因?yàn)殚L周期光柵將正向?qū)ｑ詈系綆讉€(gè)正向包層模，圍繞包層的材料折射率的任何變化都會(huì)改變透射光波的性質(zhì)。將光纖光柵涂上特殊的活性涂覆層，可測(cè)量低濃度（10-9級(jí)）的目標(biāo)分子。此類光纖傳感器可用于航天器的氫氣漏泄檢測(cè)，油氣管道的碳?xì)浠衔锏穆┬箼z測(cè)，煤礦中的瓦斯檢測(cè)等等。

 

　　而光纖本身又是光波的傳輸媒質(zhì)，這種“傳”、“感”合一的特征所帶來的優(yōu)勢(shì)，堪稱無可匹敵?；谌鹄⑸?、布里淵散射和拉曼散射原理的OTDR， BOTDR及ROTDR一類的分布式光纖傳感器以及基于雙光束干涉的光纖傳感干涉儀，如馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）干涉儀、邁克爾孫（Michelson）干涉儀、薩格奈克(Sagnac)干涉儀等， 其光纖傳感臂上的每一點(diǎn)既是敏感點(diǎn)又是傳輸介質(zhì)。即使對(duì)于基于多光束干涉的準(zhǔn)分布式光纖法布里-珀羅（Fabry-Perot）傳感器， 以及近年來發(fā)展最為迅速的光纖光柵傳感器而言， 前者的工作原理是通過兩個(gè)光纖端面作為反射面之間的距離變化來測(cè)量被測(cè)量的變化， 后者則是利用光纖材料的光敏性，即外界入射光子和光纖纖芯內(nèi)鍺離子相互作用引起折射率的永久性變化，從而在光纖纖芯內(nèi)形成空間相位光柵所構(gòu)成， 因此光纖光柵是在光纖纖芯中形成。兩者均是光纖本身的一個(gè)集成部份。與光纖的可熔接形成低插入損耗的聯(lián)接，此類光纖傳感器的在線（in line）特征，使其與光纖傳輸有天然的兼容性，可以替代傳統(tǒng)的分立和薄膜型光無源器件，從而為全光通信系統(tǒng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)提供巨大的設(shè)計(jì)靈活性。

 

　　以互聯(lián)網(wǎng)為代表的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是二十世紀(jì)計(jì)算機(jī)科學(xué)的一項(xiàng)偉大成果，它給人們的生活帶來了深刻的變化，然而在目前，網(wǎng)絡(luò)功能再強(qiáng)大，網(wǎng)絡(luò)世界再豐富，也終究是虛擬的，它與人們所生活的現(xiàn)實(shí)世界還是相隔的，在網(wǎng)絡(luò)世界中，很難感知現(xiàn)實(shí)世界，很多事情還是不可能的，時(shí)代呼喚著新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。光纖的這種神奇的、在線的傳感、傳輸特性以及與以光纖為高速信道的互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，正迎合時(shí)代的需求，可以構(gòu)成全新的物感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，筆者敢于斷言：在不久的將來，這種三纖合一的、新的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)將給人們的生活方式帶來革命性的變化，從而使光纖技術(shù)的發(fā)展再一次邁向新的高峰。

 

　　(三) 從互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代到“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代

 

　　傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of things）的定義是：通過射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的概念是在1999年提出的。物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；第二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通訊。

　　物聯(lián)網(wǎng)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

 

　　感知層包括二維碼標(biāo)簽和識(shí)讀器、RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器、終端、傳感器網(wǎng)絡(luò)等，主要是識(shí)別物體，采集信息，與人體結(jié)構(gòu)中皮膚和五官的作用相似。

 

　　網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞和大腦信息傳遞和處理。網(wǎng)絡(luò)層包括通信與互聯(lián)網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)管理中心、信息中心和智能處理中心等。網(wǎng)絡(luò)層將感知層獲取的信息進(jìn)行傳遞和處理。

 

　　應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的“社會(huì)分工”與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)廣泛智能化。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)專業(yè)技術(shù)的深度融合，與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)行業(yè)智能化，這類似于人的社會(huì)分工，最終構(gòu)成人類社會(huì)。

 

　　物聯(lián)網(wǎng)形成的步驟：

 

　?。?）對(duì)物體屬性進(jìn)行標(biāo)識(shí)，屬性包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的屬性，靜態(tài)屬性可以直接存儲(chǔ)在標(biāo)簽中，動(dòng)態(tài)屬性需要先由傳感器實(shí)時(shí)探測(cè)；

 

　?。?）需要識(shí)別設(shè)備完成對(duì)物體屬性的讀取，并將信息轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式；

 

　?。?）將物體的信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行模ㄌ幚碇行目赡苁欠植际降?，如家里的電腦或者手機(jī)，也可能是集中式的，如中國移動(dòng)的IDC），由處理中心完成物體通信的相關(guān)計(jì)算。

 

　　根據(jù)上述定義的物聯(lián)網(wǎng)又稱無線物聯(lián)網(wǎng)。其用戶端以移動(dòng)物體之間的溝通為主；例如，

 

　　1) 智能家居

 

　　智能家居產(chǎn)品融合自動(dòng)化控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)于一體，將各種家庭設(shè)備(如音視頻設(shè)備、照明系統(tǒng)、窗簾控制、空調(diào)控制、安防系統(tǒng)、數(shù)字影院系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)家電等)通過智能家庭網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，通過中國電信的寬帶、固話和3G無線網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭設(shè)備的遠(yuǎn)程操控。將家居環(huán)境由原來的被動(dòng)靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇?dòng)智慧的工具，提供全方位的信息交互功能。

 

　　2) 智能醫(yī)療

 

　　智能醫(yī)療系統(tǒng)借助簡易實(shí)用的家庭醫(yī)療傳感設(shè)備，對(duì)家中病人或老人的生理指標(biāo)進(jìn)行自測(cè)，并將生成的生理指標(biāo)數(shù)據(jù)通過中國電信的固定網(wǎng)絡(luò)或3G無線網(wǎng)絡(luò)傳送到護(hù)理人或有關(guān)醫(yī)療單位。還可提供相關(guān)增值業(yè)務(wù)，如緊急呼叫救助服務(wù)、專家咨詢服務(wù)、終生健康檔案管理服務(wù)等。

 

　　3) 智能交通

 

　　智能交通系統(tǒng)包括公交行業(yè)無線視頻監(jiān)控平臺(tái)、智能公交站臺(tái)、電子票務(wù)、車管專家和公交手機(jī)一卡通等業(yè)務(wù)。

 

　　公交行業(yè)無線視頻監(jiān)控平臺(tái)利用車載設(shè)備的無線視頻監(jiān)控和GPS定位功能，對(duì)公交運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

 

　　車管專家利用全球衛(wèi)星定位技術(shù)(GPS)、無線通信技術(shù)(CDMA)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)(GIS)、中國電信3G等高新技術(shù)，將車輛的位置與速度，車內(nèi)外的圖像、視頻等各類媒體信息及其他車輛參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，有效滿足用戶對(duì)車輛管理的各類需求。

 

　　(四) “ 三纖合一”的光纖物感網(wǎng)絡(luò)

 

　　對(duì)于重大的固定設(shè)施為終端用戶，如電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、大壩、供水系統(tǒng)、長距離油氣管線等的監(jiān)測(cè)；地震監(jiān)測(cè)；煤礦中的瓦斯檢測(cè)、坑體結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)；大型地下設(shè)施的溫度、火災(zāi)報(bào)警；用于軍事或政府機(jī)構(gòu)等敏感地區(qū)和設(shè)施的入侵定位、安防預(yù)警；軍事中作為反潛聲納核心部件的水聽器等等，采用上述無線方式實(shí)現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)顯然是勉為其難的了。而用植入上述被測(cè)物體的各種光纖傳感器得到所需被測(cè)參數(shù)，并以光纖傳輸?shù)綌?shù)據(jù)控制中心，并接入互聯(lián)網(wǎng)，形成光纖物感網(wǎng)絡(luò)。此“光纖物感網(wǎng)絡(luò)”概念的問世，打破了之前的傳統(tǒng)思維。過去的思路一直是將物理基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)設(shè)施分開：一方面是機(jī)場(chǎng)、公路、建筑物； 而另一方面是數(shù)據(jù)中心、個(gè)人電腦、寬帶等。而在“物感網(wǎng)”時(shí)代，鋼筋混凝土設(shè)施通過光纖傳感網(wǎng)絡(luò)、將與寬帶整合為統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施，在此意義上，基礎(chǔ)設(shè)施更像是一塊新的地球工地，世界的運(yùn)轉(zhuǎn)就在它上面進(jìn)行，其中包括經(jīng)濟(jì)管理、生產(chǎn)運(yùn)行、社會(huì)管理乃至個(gè)人生活。

 

　　與語音通信技術(shù)中分為有線（固定電話）和無線（移動(dòng)電話）通信相類似，物聯(lián)網(wǎng)也應(yīng)當(dāng)根據(jù)終端用戶的類型分為有線（光纖物感網(wǎng)）和無線物聯(lián)網(wǎng)兩類。

 

　　光纖物感網(wǎng)是“光纖傳感”、“光纖傳輸”和“光纖互聯(lián)網(wǎng)”的三纖合一的系統(tǒng)。

 

　　其優(yōu)點(diǎn)如下；

 

　　1， 光纖傳感器與傳統(tǒng)的非電量電測(cè)法的電傳感器相比，具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：因?yàn)樗菍?dǎo)光元件，所以完全不受電磁干擾，不受雷擊，不受核輻射影響，可在煤礦等易燃易爆的環(huán)境中工作。

 

　　2， 光纖傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比，具有更高的檢測(cè)靈敏度，例如，典型的光纖光柵布拉格波長隨溫度、壓力和應(yīng)變變化的靈敏度分別為10pm/k、3pm/Mpa和1.2pm/με；BOTDR(AQ8603)的應(yīng)變測(cè)量精度則可達(dá)±0.003%(30με).

 

　　特別是相位調(diào)制型光纖傳感器具有極高的檢測(cè)靈敏度，因光電檢測(cè)器無法直接感知相位，故必須采用干涉技術(shù)使相位變化轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度變化，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的檢測(cè)。其可得到最小相位變化為10-7rad的測(cè)量精度。如采用保偏光纖，信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)可測(cè)出1μrad的相位移，則對(duì)每米光纖的檢測(cè)靈敏度：對(duì)溫度為10-8 ℃，對(duì)壓力為10-7Pa，對(duì)應(yīng)變?yōu)?0-7με，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)1010。對(duì)于某些波長檢測(cè)型的光纖傳感器，當(dāng)波長分辨率達(dá)到微米量級(jí)后，還可通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理將微米級(jí)的光波長細(xì)分到任意多的分?jǐn)?shù)，進(jìn)一步大大提高檢測(cè)靈敏度。

 

　　3， 鑒于光纖“傳”“感”合一的特性，而形成的分布式傳感系統(tǒng)，可在長距離的線路上進(jìn)行連續(xù)的傳感檢測(cè)和被測(cè)信號(hào)的傳輸。這是任何其他無線檢測(cè)手段所無法企及的。

 

　　4， 與無線檢測(cè)方式相比，光纖物感網(wǎng)不受大氣氣候影響，不受地理環(huán)境干擾。在軍事應(yīng)用中有良好的保密性。

 

　　5， 光纖物感網(wǎng)可移植業(yè)已成熟的光纖通信的技術(shù)成果，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。例如多傳感器和傳輸光纖的連接技術(shù)；多傳感器的解調(diào)技術(shù)，如時(shí)分復(fù)用，波分復(fù)用，頻分復(fù)用，空分復(fù)用等技術(shù)，等等。

 

　　6， 光纖通信技術(shù)中非常成熟的光學(xué)元器件均可信手拈來，為我所用。它們是：光源；如半導(dǎo)體激光二極管、LED、DFB激光器、光纖光柵激光器等，光電探測(cè)器；如 PIN管、APD管等，光纖無源器件；如光纖耦合器、光纖隔離器和環(huán)行器、光開關(guān)、波分復(fù)用器等。

　　下面舉例來描述光纖物感網(wǎng)的使用情景：

 

　　1） 地震監(jiān)測(cè)

 

　　由于具有長距離遙測(cè)、耐惡劣環(huán)境、靈敏度高、易于聯(lián)網(wǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)。光纖傳感器可能是目前最好的地震監(jiān)測(cè)手段，一旦在地震帶附近建立起永久的可以監(jiān)測(cè)地震的光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)，就可以及時(shí)地監(jiān)測(cè)地下的異常情況，對(duì)可能發(fā)生的地震發(fā)出預(yù)警，最大可能地避免人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。光纖傳感器可埋入溫度高達(dá)250℃以上的地層深處，因此可測(cè)量距離達(dá)數(shù)百公里?？捎糜跈z測(cè)地震波、地質(zhì)板塊內(nèi)部應(yīng)力、溫度、位移和傾斜、地下流體壓力、地下磁場(chǎng)等地下物理量的動(dòng)態(tài)變化。

 

　　分布式光纖傳感器除具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、耐腐蝕、電絕緣、防爆性好、抗電磁干擾、光路可撓曲、易于與計(jì)算機(jī)連接、便于遙測(cè)等優(yōu)點(diǎn)外，其最顯著的優(yōu)點(diǎn)就是可以測(cè)出光纖沿線任一點(diǎn)上的應(yīng)變、溫度和損傷等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的全方位立體監(jiān)測(cè)。因此，研究和開發(fā)分布式光纖應(yīng)變/溫度傳感技術(shù)對(duì)活動(dòng)塊體邊界帶(或斷裂帶)的監(jiān)測(cè)具有重要意義。

 

　　將被測(cè)的各種參數(shù)經(jīng)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)控制中心進(jìn)行記錄和分析，并與互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)，分享全球有關(guān)地質(zhì)變動(dòng)的資料，相互印證，分析比較，監(jiān)測(cè)地震預(yù)兆。

 

　　2） 煤礦安全

 

　　煤礦生產(chǎn)中的安全問題日益突出， 礦井瓦斯?jié)舛冗_(dá)到5%~16% 就具有爆炸的危險(xiǎn)性。因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井瓦斯?jié)舛龋?及早采取預(yù)防措施， 不僅能減少國家財(cái)產(chǎn)損失，而且能有效保障礦井工人的人身安全。采用高精度、長期可靠的光纖瓦斯傳感器、光纖溫度和應(yīng)變傳感器來檢測(cè)礦井中的瓦斯?jié)舛?、溫度、礦壓、微震等參數(shù)，用以預(yù)測(cè)預(yù)警和防控煤礦安全生產(chǎn)中的瓦斯、火災(zāi)、透水及沖擊地壓等主要煤礦災(zāi)害。并采用光纖寬帶監(jiān)控系統(tǒng)。分布式網(wǎng)絡(luò)化煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)主干傳輸平臺(tái)可采用基于IP的工業(yè)以太網(wǎng)光纖通信技術(shù)，將地面以太網(wǎng)技術(shù)通過礦用光纜直接延伸至煤礦井下環(huán)境，為礦井構(gòu)筑了先進(jìn)、可靠、標(biāo)準(zhǔn)、高速、寬帶、雙向的綜合信息傳輸平臺(tái)，使得礦山安全和綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的各種監(jiān)控設(shè)備、自動(dòng)化過程控制設(shè)備、語音通訊設(shè)備、圖象監(jiān)控設(shè)備等都以IP方式接入。并與煤礦企業(yè)的Internet／Intranet整體架構(gòu)實(shí)現(xiàn)無縫連接。

 

　　3） 光纖水聽傳感網(wǎng)絡(luò)

 

　　光纖水聽傳感網(wǎng)絡(luò)是一種建立在光纖傳感和傳輸合一基礎(chǔ)上的水下聲信號(hào)傳感系統(tǒng)。它通過高靈敏度的光纖相干檢測(cè)（如馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）干涉儀、邁克爾孫（Michelson）干涉儀、薩格奈克(Sagnac)干涉儀等 ），也可用光纖法布里-珀羅（Fabry-Perot）傳感器或光纖光柵傳感器，將水聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，并通過光纖傳至信號(hào)處理系統(tǒng)提取聲信號(hào)信息。光纖水聽傳感網(wǎng)絡(luò)主要用于海洋聲學(xué)環(huán)境中的聲傳播、噪聲、混響、海底聲學(xué)特性、目標(biāo)聲學(xué)特性等的監(jiān)測(cè)。它既可用于海洋、陸地石油天然氣勘探，也可用于海洋、陸地地震波檢測(cè)以及海洋環(huán)境檢測(cè)，它又是現(xiàn)代海軍反潛作戰(zhàn)聲納系統(tǒng)的核心部件。

 

　　光纖水聽器靈敏度高，帶寬寬，頻響特性好，可以響應(yīng)甚低頻；耐靜水壓；全光，水下無任何電子設(shè)備，穩(wěn)定性高；光纜輕巧，耐高溫，抗腐蝕性；傳輸距離遠(yuǎn)，動(dòng)態(tài)范圍大；可利用光纖多路復(fù)用技術(shù)，構(gòu)成大范圍陣列。這些特點(diǎn)使基于光纖水聽器的傳感器網(wǎng)絡(luò)與信息傳輸網(wǎng)絡(luò)一體化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化，當(dāng)光纖水聽傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步與互聯(lián)網(wǎng)連接后，將在大幅度提高系統(tǒng)性能的同時(shí)，減少了系統(tǒng)的工程代價(jià)。

　　采用Mach-Zehder或Michelson干涉儀的光纖相位檢測(cè)技術(shù)具有極高的靈敏度，但需解決偏振衰落及相位衰落等技術(shù)問題；而在Sagnac干涉儀中不需要考慮相位衰落和光源相位噪聲問題， 偏振衰落問題也可通過在干涉儀中插入Lyot退偏器的方法得到很好解決， 因此基于Sagnac干涉儀的光纖水聽器與基于Mach-Zehder干涉儀的光纖水聽器相比有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

 

　　在水聽器應(yīng)用中，由于水下聲場(chǎng)的復(fù)雜性，單元水聽器無法獲得目標(biāo)的詳細(xì)信息，必須依靠超大陣元數(shù)目的高度復(fù)用的傳感器陣列。通過水聽器陣列完成聲場(chǎng)信號(hào)的波束形成，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的定位與指向。為降低成本與體積．多路復(fù)用技術(shù)被廣泛的用到了水聲信號(hào)傳輸領(lǐng)域。多路復(fù)用技術(shù)的使用對(duì)水聲信號(hào)的處理能力提出了更高的要求。需要處理的是水聽器陣列的海量信號(hào)，對(duì)處理速度要求高。通常可采用一種基于FPGA和DSP的光纖傳感信號(hào)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，來完成多路復(fù)用信號(hào)的解復(fù)用以及實(shí)時(shí)快速解調(diào)。

 

　　(五)傳感光纖與傳感光纜

 

　　用來制作光纖傳感器的光纖稱為傳感光纖。傳感光纖的主要類型就是常規(guī)的單模光纖或多模光纖，例如，BOTDR光纖溫度和應(yīng)變傳感器使用單模光纖，而用于ROTDR光纖溫度傳感器的是多模光纖；用于相位調(diào)制型的光纖Sagnac干涉儀的也可采用保偏光纖；根據(jù)普朗克定律通過輻射量檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的光纖溫度傳感器采用大芯徑光纖；而用于制作光纖光柵的則是纖芯高摻鍺的光敏光纖。

 

　　在光纖傳感網(wǎng)絡(luò)中，傳感光纜是一個(gè)非常重要的部件。它不僅是聯(lián)接光纖傳感器和控制中心的傳感信號(hào)的傳輸介質(zhì)，在分布式光纖傳感系統(tǒng)（如OTDR或干涉型傳感系統(tǒng)）中，同時(shí)兼任傳輸和傳感兩種功能。因而它的結(jié)構(gòu)形式和功能可能與常規(guī)的通信光纜很不相同。例如，在傳統(tǒng)的通信光纜中， 光纜必須設(shè)計(jì)成將光纜中的光纖與外界應(yīng)力相隔離， 也就是說光纖不應(yīng)直接受外力影響，以保證光纜中光纖的長期使用壽命。而在應(yīng)變型傳感光纜中，必須讓外界應(yīng)力直接傳遞到光纜中的光纖上， 從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)變測(cè)量。這類傳感光纜使用時(shí)需直接嵌埋于被檢測(cè)應(yīng)變及變形的土木結(jié)構(gòu)件內(nèi)部、或直接粘接在其表面。而與此同時(shí)，還需對(duì)傳感光纜中的光纖進(jìn)行環(huán)境和機(jī)械保護(hù)。在某些應(yīng)變型傳感光纜使用中，傳感光纖通過粘接劑粘合在被測(cè)的金屬或混凝土基板上，光纖與基板之間有光纖涂層和粘接劑兩層物質(zhì)相隔，除了要求這些物質(zhì)的物理性能，如熱脹系數(shù)、楊氏模量、泊松比等盡量匹配外，光纖和其涂層之間必須有良好的結(jié)合力，否則在應(yīng)變測(cè)量中，因光纖與涂層之間的滑移會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。常規(guī)的光纖的紫外固化丙烯酸樹脂涂層的剝離力為1.3~ 8.9 N，這對(duì)于上述應(yīng)變測(cè)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須開發(fā)出高剝離力的光纖涂層。

 

　　又如，在 BOTDR分布式傳感系統(tǒng)中，由BOTDR發(fā)出的布里淵散射光通入單模光纖中傳輸時(shí)， 當(dāng)單模光纖受到應(yīng)力而產(chǎn)生應(yīng)變或溫度變化時(shí)，光纖中的布里淵散射光就會(huì)產(chǎn)生頻移，通過頻移的計(jì)算可得出光纖所受應(yīng)變和溫度變化數(shù)值。為了區(qū)分溫度和應(yīng)變所導(dǎo)致的不同測(cè)量結(jié)果，可設(shè)計(jì)一種雙芯光纜，在此光纜中，一根光纖以松套狀態(tài)，另一根光纖以緊套狀態(tài)置于光纜中。這樣，在測(cè)量中，從松套光纖可測(cè)得溫度變化數(shù)值，而緊套光纖同時(shí)測(cè)得溫度和應(yīng)變數(shù)值，從后者減去前者數(shù)值，即可得應(yīng)變數(shù)值。

 

　　另外，常規(guī)通信光纜使用溫度范圍為-40℃(極端溫度為-60℃.) ~ +60℃。而傳感光纜的應(yīng)用范圍極為廣泛，有時(shí)可能在-150℃ ~ +300℃的極端溫度下使用，這時(shí)，光纖和光纜的材料和結(jié)構(gòu)都會(huì)有很大變化。例如采用聚酰亞胺涂層代替丙烯酸樹脂涂層，用氟塑料代替聚烯烴作為光纜結(jié)構(gòu)材料等等。

 

　　從上述幾個(gè)例子可見，傳感光纜的設(shè)計(jì)和制造遠(yuǎn)比常規(guī)通信光纜復(fù)雜。而有了高質(zhì)量的傳感光纜才能將光纖傳感系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)更充分發(fā)揮出來。這對(duì)光纖光纜行業(yè)來說，其任務(wù)還是任重道遠(yuǎn)的。

 

　　(六) 結(jié)語

 

　　光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，就是把光纖傳感器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種重大工程設(shè)施中，通過光纜連接，形成所謂“光纖傳感網(wǎng)絡(luò)”，然后將此“光纖傳感網(wǎng)絡(luò)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，構(gòu)成“光纖物感網(wǎng)” 即“光纖(有線)物聯(lián)網(wǎng)”。它與無線物聯(lián)網(wǎng)組合在一起，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)與物理系統(tǒng)的整合。在這個(gè)整合的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，存在功能強(qiáng)大的中心計(jì)算機(jī)群， 采集和存儲(chǔ)著物理的與虛擬的海量信息，通過分析處理與決策，完成從信息到知識(shí)、再到控制指揮的智能演化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整合網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機(jī)器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)施實(shí)時(shí)的管理和控制。在此基礎(chǔ)上，人類可以以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達(dá)到“智慧”狀態(tài)，從而提高資源利用率和生產(chǎn)力水平，改善人與自然間的關(guān)系。在這“智慧地球”的建設(shè)過程中，這種三纖合一的、新的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)將為之作出革命性的貢獻(xiàn)，從而使光纖技術(shù)的發(fā)展再一次邁向新的高峰。