光纖傳感器及其在地質礦產勘探開發中的應用

崔洪亮，常天英

1.吉林大學儀器科學與電氣工程學院，長春 130026 2.紐約大學理工學院，美國紐約 11201

光纖傳感器及其在地質礦產勘探開發中的應用

崔洪亮1，2，常天英1，2

1.吉林大學儀器科學與電氣工程學院，長春 130026 2.紐約大學理工學院，美國紐約 11201

與傳統電、磁及機械傳感器相比，光纖傳感器集傳輸、傳感于一體，具有諸多獨特優勢，在各領域中均存在廣泛、特殊的應用前景和潛力。目前研究最多、應用最廣泛、在該領域內占重要地位的兩類光纖傳感器是光纖光柵傳感器和分布式光纖傳感器，前者以光纖Bragg光柵（FBG）傳感器為主，后者以基于拉曼散射的分布式溫度傳感器（DTS）和基于布里淵散射的分布式溫度應變傳感器（DTSS）為主。著重闡述了這兩類光纖傳感器在地質礦產勘探中的應用：光纖地震檢波器在石油勘探中的應用、DTS和光纖光柵壓力傳感器在油頁巖勘探中的應用、光纖傳感器在智能完井中的應用以及光纖氣體傳感器在地下煤礦安全監測中的應用。光纖傳感器目前存在規范性差、成品率低等的問題，特殊結構或特殊用途的光纖傳感器的研制是未來發展方向。

光纖；光纖傳感器；光纖Bragg光柵；分布式光纖；地質礦產勘探

1 概述

1.1 光纖傳感器

光纖（optical fiber）是一種工作在光頻波段（100THz左右）的電介質波導。20世紀70年代中期，當通訊界意識到現有的銅導體技術不能滿足于未來高速、寬波段的通訊網絡需求時，基于光纖作為通訊手段的優勢，如寬帶寬、低傳輸損耗、抗噪聲干擾等，開始著力于光纖的研究。

光纖最早應用在光通訊領域內。在該過程中，人們逐漸意識到光纖在通訊過程中通信質量易受干擾的一個重要原因是光纖對外界環境十分敏感，如溫度、壓力等外界物理量的變化，將會引起光波參數，如強度、相位、頻率、偏振態等的變化，也就是說光纖本身就可以構成一種新的直接交換信息的基礎，無需任何中間級就能把待測的量與光纖內的導光聯系起來，即光纖本身在具有傳輸功能的同時，一定程度上還具有傳感的功能，可集傳感、傳輸于一身。

1977年美國海軍研究所（NRL）開始執行由查爾斯.M.戴維斯（Charles M.Davis）博士主持的Foss（光纖傳感器系統）計劃［1］，這被認為是光纖傳感器問世的日子。光纖傳感器由光源、傳輸光纖、傳感元件或調制區、光檢測等部分組成（圖1）。與傳統的傳感技術相比，光纖傳感技術具有獨特的優勢：裸光纖質輕柔軟、尺寸小，可制成各種形狀的傳感器，易嵌入各被測物中且對其幾乎沒有任何影響；由于光纖的主要成分是SiO2，其耐高溫、耐強堿腐蝕，且由于傳輸、傳感媒介是光頻信號因而不受外界強電、磁信號的干擾，可靠性強，能在惡劣環境下工作；光纖的傳輸損耗低，傳輸距離遠，可實現長距離的遠程監測，并且傳感頭可遠離信號源，可謂無源，本征安全；光纖中光信號對外界各物理量敏感性強，解調方法得當的情況下，該傳感器靈敏度高，測量范圍廣泛，并且光信號頻帶寬，動態范圍大；內有光信號傳輸的光纖也可作為傳感媒介，因此可實現分布式測量，或在光纖上刻蝕光柵，利用各種復用技術，實現準分布式測量，進而可構成多點、成線、成面或體的傳感網絡，同時大大降低測量成本，等等。

筆者主要著力于光纖光柵傳感器和分布式光纖傳感系統的研究及應用。

1.2 光纖光柵傳感器

圖1 光纖傳感器的基本組成Fig.1 Optical fiber sensing system’s basic structure

光纖光柵是發展最為迅速的光纖無源器件之一，其基于光纖材料的紫外光敏性，利用紫外光在光纖上刻蝕空間相位光柵，對入射光的光強具有調制作用或對某些頻率的入射光具有選擇功能。當外界物理量發生變化時，光纖光柵發生某種結構或性能的變化，因而對其入射光的影響將具有對應的變化，完成傳感功能。

目前光纖光柵種類繁多，如光纖Bragg光柵［2］、長周期光柵［3］、啁啾光柵［4］、超結構光柵［5］，以及相移光柵［6］等等。各類光柵特點各異，對入射光均具有不同的影響，因而可完成不同的功能。其中光纖Bragg光柵是最早被制作出來，且目前應用最廣泛的一種光纖光柵。

利用光纖材料的紫外光敏性，在纖芯內部制成的Bragg光柵空間周期分布均勻不變，調制深度為常數，因此其折射率呈現固定的周期性調制分布，光柵波矢方向與光柵軸線方向一致。具有一定頻譜寬度的光信號經過光纖光柵后，特定波長的光反射回來，其余波長的光信號則直接透射出去。圖2是光纖Bragg光柵的結構和光譜響應示意圖。因此，光纖Bragg光柵本質是具有反射式光學濾波器特質的波長調制型器件，從某種意義上而言，其不受光源穩定性、線路微彎或由于其他器件的接入而造成的光功率損耗的影響；且便于將傳感頭埋設到被測物體中，易于構成準分布式測量，這些特點均給工程檢測帶來了極大的方便。

1.3 分布式光纖傳感器

圖2 光纖Bragg光柵結構和光譜響應的示意圖Fig.2 Fiber Bragg grating structure and its spectrum

光在光纖中傳輸時，會有3種散射光產生，分別是瑞利（Rayleigh）散射光、拉曼（Raman）散射光和布里淵（Brillouin）散射光（圖3）。3種散射光中，瑞利光頻率與入射光頻率一致，不受溫度和應變的影響，但其受光纖的傳輸損耗影響，因此可以滿足光纖通信中對光纖故障診斷的需求。拉曼散射屬于彈性碰撞，含有斯托克斯和反斯托克斯兩個成分光，對于1 550nm的入射光而言，其頻移差大約為十幾個THz，其中反斯托克斯光強隨溫度變化而變化，斯托克斯光強與溫度變化幾乎無關。通過反斯托克斯光強與瑞利散射光強或拉曼－反斯托克光強的對比就可以實現對光纖的分布式溫度傳感。布里淵散射也屬于彈性碰撞。從量子力學的角度來說，入射光子受激后釋放一個聲子并同時產生一個頻率較低的光子，稱為斯托克斯光；入射光子吸收一個聲子后產生一個頻率較高的光子，稱為反斯托克斯光。因此，布里淵散射也包含兩種不同于入射光頻率的頻差相同的成分光。對于1 550nm的入射光而言，其頻移差大約為11GHz。由于布里淵散射光受溫度和應變的同時影響，所以利用它可以實現溫度和應變兩大參數的同時測量，形成分布式光纖溫度應變傳感器。國內外有諸多研究機構和研究者們對它傾注了大量的精力和財力，已取得一定的研究成果。

圖3 光纖中各散射光譜示意圖Fig.3 Scattering lights spectrum in optical fiber

2 光纖傳感器成品研究

2.1 光纖光柵傳感器成品封裝

未經封裝的裸光纖Bragg光柵在應用中操作困難，成品率低，只能應用到實驗室的研究中，如圖4便是實驗室中埋入分岔隧道模型中的FBG應變塊和作為溫度補償的FBG溫度傳感頭［7］。在實際應用中，FBG必須經某種材料或機械封裝構成某種傳感結構后，才能在實際中得到可靠、安全、長久地使用。圖5是FBG動態稱重、振動（地震儀）、磁場、壓強傳感元件。

圖4 埋入分岔隧道模型中的FBG應變塊（a）和作為溫度補償的FBG溫度傳感頭（b）Fig.4 FBG－based strain sensor module embedded in forked tunnel model（a）and FBG－based temperature sensor（b）

2.2 基于拉曼散射的分布式光纖傳感器（DTS）

DTS是基于光纖對激光脈沖的拉曼散射信號隨溫度不同而變化的原理而工作的，由光纖、激光器、數字轉換器、脈沖信號發生器以及監控軟件構成。圖6是其基本結構圖。

圖5 封裝好的各式FBG傳感元件Fig.5 Packaged FBG sensors

該結構采用后向散射探測方法，由半導體激光器（LD）產生很窄的泵浦光脈沖，經光纖放大器（EDFA）進行功率提高后通過光纖環行器耦合進傳感光纖，在傳感光纖中將產生后向散射光，返回的后向散射光再經光纖環行器進波分復用器和光濾波器進行分離和濾波，從而得到攜帶溫度信號的后向反斯托克斯拉曼散射光和斯托克斯拉曼散射光，自此便完成了光信號的采集工作；從光濾波器分離出來的后向反斯托克斯拉曼散射光和斯托克斯拉曼散射光再分別進入光接收器進行光電轉換，再經前級放大，從而完成信號的光電探測工作；此時信號已由光功率形式轉換成電平形式，再分別進入放大器對電平信號進行放大，而后分別由A／D卡進行模數轉換，從而得到數字信號，最后由計算機對數字信號進行信號處理、分析計算，便最終得到對應點的溫度場信息。因此，發出光脈沖后，對后向拉曼散射信號進行高速的多點采樣，就可獲得沿光纖軸向的溫度場分布，實現分布式溫度傳感。

2.3 基于布里淵散射的分布式光纖溫度應變傳感器（DTSS）

傳感光纖所受的溫度或應變變化會引起光纖中光學聲子傳播特性的改變，進而造成在光纖中傳播的入射光引起的布里淵散射光特性的變化。利用這一特性，通過檢測光纖中布里淵散射光特性的變化來檢測傳感光纖所受溫度和應變的變化。由于光纖中布里淵散射光的諸多特性，例如，對于波長1 550 nm在普通單模光纖傳播的入射光而言，與瑞利散射光的波長差異只有約88pm，相對應的頻率差異約為11GHz，平均光能量低，因為雖然與拉曼散射光相比，布里淵散射光的峰值較高，但由于它的線寬很窄，約為幾十MHz，所以進入光探測器的布里淵散射光很弱。

圖6 DTS基本結構圖Fig.6 DTS structure

針對以上特點，對于實用的DTSS而言，除了必須采用窄線寬、高輸出的激光器外，還需采用特殊的檢測方法和其他加強光信號的方法來獲得檢測信號并且提高檢測精度。最后針對布里淵散射光受外界溫度和應變同時影響的情況，采用對布里淵散射光的光強和頻移變化量分別進行測量的措施進而達到同時檢測溫度和應變的目的。文獻［8－9］闡述了一種較好方法，以下是其基本結構的介紹，讀者可作為參考。

圖7是基于布里淵散射的分布式光纖溫度應變傳感系統（DTSS）的結構圖。在該系統中，主要有幾大部分：分布式反饋激光器（DFB laser）的驅動，光電調制器的控制，摻鉺光纖放大器的設計與制作，后向散射信號的處理，信號采集和處理以及軟件編程和界面顯示。

圖7 DTSS系統結構簡圖Fig.7 DTSS structure

3 光纖傳感器在地質礦產勘探中的應用

基于光纖傳感器的獨特優勢，其在各領域內均有特別應用。筆者以光纖傳感器在地質礦產勘探中的應用為例，給出詳細說明。讀者可見微知著，以此類比，根據各自領域內的特點，有效地推廣應用光纖傳感器。

在地質礦產勘探中，有兩大區域需要傳感檢測：一是對未知礦產是否存在的勘探；二是對已存在礦產挖掘開發時的安全監測。

3.1 光纖地震檢波器在石油勘探中的應用

在勘探領域內，對于傳統的地下石油勘探而言，地震檢波器是必需的。

一方面，地震檢波器是地震勘探中的第一個環節，地震采集數據的品質基本上取決于檢波器本身的品質、埋置環境與記錄數據系統的性能。目前，數據采集的動態范圍已經達到了120dB，檢波器的動態范圍則大多在50dB左右，所以檢波器本身的動態范圍越來越成為地球物理勘探技術中的首要技術要求。由于大地本身就是一個低通濾波器，對高頻信號衰減作用比較強，人工地震勘探過程中激發的頻帶相對豐富的地震波信號，在傳輸過程中，到達檢波器中高頻反射、折射信號非常弱，檢波器必須具備拾取這種微弱信號的能力以真實地反映地質構造。地球物理勘探工作者對地震數據采集的動態范圍與信號保真性的要求是無止境的，這就要求石油物探裝備必須不斷進步。

另一方面，經過幾十年的勘探，那些埋藏較淺、表層地質條件比較簡單的構造圈閉油田大多已被發現并開發，老油田挖潛的地震勘探目標轉向埋藏較深、地質條件復雜的小構造油田、巖性圈閉油田和隱蔽型油氣藏，如果能精確確定油氣位置，則可以通過打水平井等措施，提高油氣采收率，所以，提高地震勘探精度具有重要的經濟價值。提高地震勘探精度是一個復雜的系統工程，包括采集、處理、解釋諸多方面。由于計算機技術的發展，處理裝備和技術進步很快，由于油田的開發深入，對構造的了解逐步加深。所以，目前采集技術是提高勘探精度的薄弱環節。提高野外采集作為地震勘探的第一道工序，如果不能采集到高質量的原始數據，后續工作不但難度加大，而且可信度降低。

傳統的地震檢波器以電、磁場的耦合為主，包括電容式、電阻式、動圈式、壓電式等等，主要缺點是野外條件下，動態范圍受到噪聲水平的限制，且分辨率低；即使較先進的MEMS檢波器也會受到強電磁的干擾，具有遲報、誤報、檢測精度不高等弊端。然而，Bragg光柵（FBG）有效避免了傳統地震檢波器的若干缺點，在一定的機械結構封裝下，可以實現二維和三維、高精度、高分辨率、無干擾、多通道準分布式多點檢測。圖8、圖9和圖10分別是FBG地震檢波器和電磁地震檢波器頻率響應、靈敏度以及抗電磁干擾的比較。圖11是傳統地震檢波探頭與FBG地震檢波探頭的實物以及效果對比圖，從圖中可以看出，一個FBG地震檢波探頭與一組（12個）電磁檢波探頭的效果相當，紅色圈點的是地下1 000m的反射波，黃色圈點的是地下2 000m的反射波。圖12是單光源四通道FBG地震檢波系統的實物圖。

3.2 DTS和光纖光柵壓力傳感器在油頁巖勘探中的應用

圖8 FBG地震檢波器和電磁地震檢波器頻率響應的比較Fig.8 Frequency response comparison（FBG geophone vs.electromagnetic geophone）

圖9 FBG地震檢波器和電磁地震檢波器靈敏度的比較Fig.9 Sensitivity comparison（FBG geophone vs.electromagnetic geophone）

基于能源供求之間的差距逐日增大，除了加大對傳統能源資源的勘探和開發力度，還必須尋找新能源。油頁巖作為傳統能源的一種接替資源，儲量非常豐富。因此采用合適的方法對其進行全面準確的勘探，具有重要的經濟社會意義。

對油頁巖開展地下原位開采，其加熱井、監測井以及采油井等地下采油工藝，必須基于井下的溫度、壓力、流量和液位等參數來實施流程控制。傳統的電類傳感器無法在井下諸如高溫、高壓、腐蝕、地磁地電等干擾的惡劣環境下長期工作。光纖傳感器可以克服這些困難，其對電磁干擾不敏感而且能承受極端條件，包括高溫、高壓以及強烈的沖擊與振動，可以高精度地測量井筒和井場內壓力、溫度等環境參數。采用分布式光纖監測系統（包括DTS和準分布式光纖光柵壓力傳感系統）實現油頁巖地下原位轉化過程中地層溫度、壓力、流量和液位等參數的原位檢測，以達到油頁巖勘探、開發動態監測的目的。圖13、14分別是DTS和光纖光柵壓力傳感器的測試曲線；圖15、16是油頁巖地下原位轉化溫度、壓力系統及其安裝工藝示意圖。

圖10 FBG地震檢波器和電磁地震檢波器抗電磁干擾的比較Fig.10 Electromagnetic interference comparison（FBG geophone vs.electromagnetic geophone）

3.3 光纖傳感器在智能完井中的應用

目前國內油田的油藏多數是非均質多個油層，各油層出現大量水，嚴重的不得已關井，或者動用修井設備進行找水、堵水、封堵等費時費力的修井作業工作。因此，除了利用合適傳感器實現石油的準確尋找定位外，油田工作者一直希望有一套技術可以同時開采多個油層并隨時報告井下各層段或各分支井眼正在生產并流入井內的是什么，以及流量、壓力、溫度等參數的變化，以便人們能隨時了解井下各產出層的情況，調整和控制各層的出液量，關閉高含水層，換層開采以提高效率，這樣一種智能化完井技術是石油人不斷追求的理想。它是將國防技術、微電子技術、機電一體化、智能儀器、現代通信和采油工藝技術、測試技術等多種高新技術結合而成，也是近年來國際石油開采技術中最有發展前景的高新技術。

圖11 傳統地震檢波探頭與FBG地震檢波探頭的實物以及效果對比圖Fig.11 Traditional and FBG geophones

圖12 四通道FBG地震檢波系統實物圖Fig.12 Four－channel FBG geophone system

光纖傳感器（主要包括DTS和光纖光柵壓力傳感器）可應用于井下溫度、壓力、流量等參數測試，實時監測油氣井內的溫度和壓力變化。由于分布式溫度傳感光纖測量可以在整個井段內進行，因而可以測量單層產液量，以提高井下永久性監測的質量；并且利用分布式溫度傳感器進行測量可以識別出整個儲層段內所有的產油層以及各產層的產量。所以該系統具有分布式測量能力，可以測量被測量空間的空間分布，給出剖面信息，準確地進行井下各種參數的采集和監測，并且它可單獨地采用水力滑套實現分層開采，使其互不干涉。此外，該系統還具有以下優點：耐高溫，遠距離測試，地面信號集中處理；可同時測量溫度，壓力，流量，含水率等參數；不帶電操作，抗腐蝕，抗干擾性能好，測量精度高；長期穩定，測量精度不受傳輸光纖損耗變化影響，等等。其結構示意圖見圖17。

圖13 DTS測試曲線Fig.13 DTS temperature measurement curve

圖14 光纖光柵壓力傳感器測試曲線Fig.14 FBG pressure sensor measurement curve

圖15 油頁巖地下原位轉化溫度、壓力系統示意圖Fig.15 Temperature and strain detection system for oil shale

圖16 油頁巖地下原位轉化溫度、壓力系統安裝工藝示意圖Fig.16 Temperature and strain detection installation system for oil shale

圖17 智能完井中光纖傳感器的結構示意圖Fig.17 Optical fiber sensor structure in smart well

3.4 光纖氣體傳感器在地下煤礦安全監測中的應用

在安全監測中，對于地下煤礦有害氣體濃度的監測而言，瓦斯傳感器是必需的。

瓦斯事故是煤礦安全生產的主要威脅之一，開展瓦斯檢測系統的研究具有十分迫切的需求和重大的社會效益和經濟價值。傳統的瓦斯傳感器大多是基于機電器件的，存在的問題主要是系統可靠性不高、穩定性以及耐久性不夠理想。同時礦井下的工作環境非常惡劣，受濕度高、腐蝕性強、電磁干擾等因素的影響，決定了現有電子傳感系統在可靠性、穩定性和耐用性等方面存在固有的缺陷和不足。光纖瓦斯傳感器與傳統的電催化探測器相比有以下優點：本身不發熱，無電，無火，這種固有的安全性消除了爆炸的危險和電磁干擾問題；測量的動態范圍大，可以有效地起到預警作用；反應速度快；對氣體種類有很高的選擇性；對環境適應性強，能在潮濕、粉塵較多的環境下使用。和現有的紅外吸收式的探頭相比也有其優越性：探頭損耗低，整體損耗為1～2 dB；吸收距離長，可達50mm，采用特殊的設計方案吸收距離能夠達到2～5m；體積小，結構簡單，易于使用。

基于甲烷的紅外吸收譜譜圖，光纖瓦斯傳感器選用中心波長1 645nm的激光光源，設計制造特種結構的傳感探頭，以便增長有效吸收路徑、增加吸收率且避免灰塵雜質的侵入而造成測量誤差的影響，利用強度吸收法實現對甲烷氣體體積分數的檢測，并且利用差分法消除外界誤差，利用可調諧二極管激光光譜法（TDLS）提高測量精度［10］，實現有效準確測量瓦斯濃度的目的，精度可達幾十個ppm（10－6）。圖18是光纖瓦斯濃度傳感器的測試曲線。

圖18 光纖瓦斯濃度傳感器測試曲線Fig.18 Fiber gas concentration sensor’s measurement curve

同理，基于一氧化碳或其他有害氣體的吸收譜圖，光纖一氧化碳或其他氣體傳感器也已經或正在研制中，最終可實現井下有害氣體濃度的全面、有效地安全監測。

5 小結

在傳感領域內，隨著技術的發展，光纖傳感器門類齊全，種類繁多，功能強大：可測量溫度、應變、壓強、氣體濃度等十幾種物理量。大多普通意義上的光纖傳感器傳感機理已成熟，開始走進開發實用階段，研究的重點已轉向性能的提高和應用的推廣方面，但具有特殊結構和特殊用途的光纖傳感器如氧化銦包層光纖傳感器［11］、膠狀纖芯光子晶體光纖溫度傳感器［12］、光纖濕度傳感器［13］、光纖氫傳感器［14］、光纖氧傳感器［15］等仍是國內外廣大研究者探索研究的熱點。

盡管相比較于電線的堅韌，光纖比較脆弱；相比較于電信號處理的單一性和兼容性，光信號的處理需先經過光電轉換、過程較復雜；相比較于電器件的規范、大批量生產和廉價，光器件制作較困難、成品率低、價格較昂貴，所以目前光纖傳感器還不能完全取代電傳感器，但是光纖傳感器具有無可替代的獨特優勢，吸引著國內外廣大研究者為之繼續努力研究、開發和推廣，使其向高性能、規范化、網絡化、實用化方向發展。

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Fiber Optic Sensor and Its Applications in Geophysical and Mining Engineering

Cui Hong－liang1，2，Chang Tian－ying1，2

1.College of Instrumentation ＆Electrical Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China 2.Polytechnic Institute，New York University，New York 11201，USA

Compared to traditional sensors such as electric，magnetic，mechanical and gas sensor，optical fiber sensors have many advantages and been applied in many fields.Optical fiber sensor can achieve sensing and signal transmission simultaneously.At present，the most popular two kinds of fiber optic sensors are fiber grating sensor and distributed fiber sensor，the former of which is dominated by fiber Bragg grating（FBG）sensor introduced and the latter is dominated by distributed temperature sensor（DTS）based on Raman scattering and distributed temperature and strain sensor（DTSS）based on Brillouin scattering.Some application examples of optical fiber sensor in geophysical and mining are illustrated，including fiber seismic detector’s application in underground oil exploration，DTS and fiber grating pressure sensor’s application in oil shale exploration，fiber optic sensor’s application in smart well and fiber gas sensor’s application in subsurface coal mine safety monitoring.Fiber sensor’s current issues（are poor normalization，low yield，et al）and its future development is fiber optic sensors with special structure or in special purpose.

fiber optics；fiber sensor；fiber Bragg grating；distributed fiber；geophysical and mining

book=2012,ebook=736

TP212

A

1671－5888（2012） 05－1571－09

2012－03－21

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAK04B03）；國家自然科學基金項目（61174018）

崔洪亮（1956—），男，教授，博士，“千人計劃”評聘專家，主要從事光纖傳感、THz技術、納米光學研究，E－mail：hcui＠jlu.edu.cn

常天英（1981—），女，博士，講師，主要從事光纖傳感及應用和THz技術研究，E－mail：changtianying1＠gmail.com。