光纤传感器及其在地质矿产勘探开发中的应用

崔洪亮，常天英

1.吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春 130026 2.纽约大学理工学院，美国纽约 11201

光纤传感器及其在地质矿产勘探开发中的应用

崔洪亮1，2，常天英1，2

1.吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春 130026 2.纽约大学理工学院，美国纽约 11201

与传统电、磁及机械传感器相比，光纤传感器集传输、传感于一体，具有诸多独特优势，在各领域中均存在广泛、特殊的应用前景和潜力。目前研究最多、应用最广泛、在该领域内占重要地位的两类光纤传感器是光纤光栅传感器和分布式光纤传感器，前者以光纤Bragg光栅（FBG）传感器为主，后者以基于拉曼散射的分布式温度传感器（DTS）和基于布里渊散射的分布式温度应变传感器（DTSS）为主。着重阐述了这两类光纤传感器在地质矿产勘探中的应用：光纤地震检波器在石油勘探中的应用、DTS和光纤光栅压力传感器在油页岩勘探中的应用、光纤传感器在智能完井中的应用以及光纤气体传感器在地下煤矿安全监测中的应用。光纤传感器目前存在规范性差、成品率低等的问题，特殊结构或特殊用途的光纤传感器的研制是未来发展方向。

光纤；光纤传感器；光纤Bragg光栅；分布式光纤；地质矿产勘探

1 概述

1.1 光纤传感器

光纤（optical fiber）是一种工作在光频波段（100THz左右）的电介质波导。20世纪70年代中期，当通讯界意识到现有的铜导体技术不能满足于未来高速、宽波段的通讯网络需求时，基于光纤作为通讯手段的优势，如宽带宽、低传输损耗、抗噪声干扰等，开始着力于光纤的研究。

光纤最早应用在光通讯领域内。在该过程中，人们逐渐意识到光纤在通讯过程中通信质量易受干扰的一个重要原因是光纤对外界环境十分敏感，如温度、压力等外界物理量的变化，将会引起光波参数，如强度、相位、频率、偏振态等的变化，也就是说光纤本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来，即光纤本身在具有传输功能的同时，一定程度上还具有传感的功能，可集传感、传输于一身。

1977年美国海军研究所（NRL）开始执行由查尔斯.M.戴维斯（Charles M.Davis）博士主持的Foss（光纤传感器系统）计划［1］，这被认为是光纤传感器问世的日子。光纤传感器由光源、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成（图1）。与传统的传感技术相比，光纤传感技术具有独特的优势：裸光纤质轻柔软、尺寸小，可制成各种形状的传感器，易嵌入各被测物中且对其几乎没有任何影响；由于光纤的主要成分是SiO2，其耐高温、耐强碱腐蚀，且由于传输、传感媒介是光频信号因而不受外界强电、磁信号的干扰，可靠性强，能在恶劣环境下工作；光纤的传输损耗低，传输距离远，可实现长距离的远程监测，并且传感头可远离信号源，可谓无源，本征安全；光纤中光信号对外界各物理量敏感性强，解调方法得当的情况下，该传感器灵敏度高，测量范围广泛，并且光信号频带宽，动态范围大；内有光信号传输的光纤也可作为传感媒介，因此可实现分布式测量，或在光纤上刻蚀光栅，利用各种复用技术，实现准分布式测量，进而可构成多点、成线、成面或体的传感网络，同时大大降低测量成本，等等。

笔者主要着力于光纤光栅传感器和分布式光纤传感系统的研究及应用。

1.2 光纤光栅传感器

图1 光纤传感器的基本组成Fig.1 Optical fiber sensing system’s basic structure

光纤光栅是发展最为迅速的光纤无源器件之一，其基于光纤材料的紫外光敏性，利用紫外光在光纤上刻蚀空间相位光栅，对入射光的光强具有调制作用或对某些频率的入射光具有选择功能。当外界物理量发生变化时，光纤光栅发生某种结构或性能的变化，因而对其入射光的影响将具有对应的变化，完成传感功能。

目前光纤光栅种类繁多，如光纤Bragg光栅［2］、长周期光栅［3］、啁啾光栅［4］、超结构光栅［5］，以及相移光栅［6］等等。各类光栅特点各异，对入射光均具有不同的影响，因而可完成不同的功能。其中光纤Bragg光栅是最早被制作出来，且目前应用最广泛的一种光纤光栅。

利用光纤材料的紫外光敏性，在纤芯内部制成的Bragg光栅空间周期分布均匀不变，调制深度为常数，因此其折射率呈现固定的周期性调制分布，光栅波矢方向与光栅轴线方向一致。具有一定频谱宽度的光信号经过光纤光栅后，特定波长的光反射回来，其余波长的光信号则直接透射出去。图2是光纤Bragg光栅的结构和光谱响应示意图。因此，光纤Bragg光栅本质是具有反射式光学滤波器特质的波长调制型器件，从某种意义上而言，其不受光源稳定性、线路微弯或由于其他器件的接入而造成的光功率损耗的影响；且便于将传感头埋设到被测物体中，易于构成准分布式测量，这些特点均给工程检测带来了极大的方便。

1.3 分布式光纤传感器

图2 光纤Bragg光栅结构和光谱响应的示意图Fig.2 Fiber Bragg grating structure and its spectrum

光在光纤中传输时，会有3种散射光产生，分别是瑞利（Rayleigh）散射光、拉曼（Raman）散射光和布里渊（Brillouin）散射光（图3）。3种散射光中，瑞利光频率与入射光频率一致，不受温度和应变的影响，但其受光纤的传输损耗影响，因此可以满足光纤通信中对光纤故障诊断的需求。拉曼散射属于弹性碰撞，含有斯托克斯和反斯托克斯两个成分光，对于1 550nm的入射光而言，其频移差大约为十几个THz，其中反斯托克斯光强随温度变化而变化，斯托克斯光强与温度变化几乎无关。通过反斯托克斯光强与瑞利散射光强或拉曼－反斯托克光强的对比就可以实现对光纤的分布式温度传感。布里渊散射也属于弹性碰撞。从量子力学的角度来说，入射光子受激后释放一个声子并同时产生一个频率较低的光子，称为斯托克斯光；入射光子吸收一个声子后产生一个频率较高的光子，称为反斯托克斯光。因此，布里渊散射也包含两种不同于入射光频率的频差相同的成分光。对于1 550nm的入射光而言，其频移差大约为11GHz。由于布里渊散射光受温度和应变的同时影响，所以利用它可以实现温度和应变两大参数的同时测量，形成分布式光纤温度应变传感器。国内外有诸多研究机构和研究者们对它倾注了大量的精力和财力，已取得一定的研究成果。

图3 光纤中各散射光谱示意图Fig.3 Scattering lights spectrum in optical fiber

2 光纤传感器成品研究

2.1 光纤光栅传感器成品封装

未经封装的裸光纤Bragg光栅在应用中操作困难，成品率低，只能应用到实验室的研究中，如图4便是实验室中埋入分岔隧道模型中的FBG应变块和作为温度补偿的FBG温度传感头［7］。在实际应用中，FBG必须经某种材料或机械封装构成某种传感结构后，才能在实际中得到可靠、安全、长久地使用。图5是FBG动态称重、振动（地震仪）、磁场、压强传感元件。

图4 埋入分岔隧道模型中的FBG应变块（a）和作为温度补偿的FBG温度传感头（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纤传感器（DTS）

DTS是基于光纤对激光脉冲的拉曼散射信号随温度不同而变化的原理而工作的，由光纤、激光器、数字转换器、脉冲信号发生器以及监控软件构成。图6是其基本结构图。

图5 封装好的各式FBG传感元件Fig.5 Packaged FBG sensors

该结构采用后向散射探测方法，由半导体激光器（LD）产生很窄的泵浦光脉冲，经光纤放大器（EDFA）进行功率提高后通过光纤环行器耦合进传感光纤，在传感光纤中将产生后向散射光，返回的后向散射光再经光纤环行器进波分复用器和光滤波器进行分离和滤波，从而得到携带温度信号的后向反斯托克斯拉曼散射光和斯托克斯拉曼散射光，自此便完成了光信号的采集工作；从光滤波器分离出来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别进入光接收器进行光电转换，再经前级放大，从而完成信号的光电探测工作；此时信号已由光功率形式转换成电平形式，再分别进入放大器对电平信号进行放大，而后分别由A／D卡进行模数转换，从而得到数字信号，最后由计算机对数字信号进行信号处理、分析计算，便最终得到对应点的温度场信息。因此，发出光脉冲后，对后向拉曼散射信号进行高速的多点采样，就可获得沿光纤轴向的温度场分布，实现分布式温度传感。

2.3 基于布里渊散射的分布式光纤温度应变传感器（DTSS）

传感光纤所受的温度或应变变化会引起光纤中光学声子传播特性的改变，进而造成在光纤中传播的入射光引起的布里渊散射光特性的变化。利用这一特性，通过检测光纤中布里渊散射光特性的变化来检测传感光纤所受温度和应变的变化。由于光纤中布里渊散射光的诸多特性，例如，对于波长1 550 nm在普通单模光纤传播的入射光而言，与瑞利散射光的波长差异只有约88pm，相对应的频率差异约为11GHz，平均光能量低，因为虽然与拉曼散射光相比，布里渊散射光的峰值较高，但由于它的线宽很窄，约为几十MHz，所以进入光探测器的布里渊散射光很弱。

图6 DTS基本结构图Fig.6 DTS structure

针对以上特点，对于实用的DTSS而言，除了必须采用窄线宽、高输出的激光器外，还需采用特殊的检测方法和其他加强光信号的方法来获得检测信号并且提高检测精度。最后针对布里渊散射光受外界温度和应变同时影响的情况，采用对布里渊散射光的光强和频移变化量分别进行测量的措施进而达到同时检测温度和应变的目的。文献［8－9］阐述了一种较好方法，以下是其基本结构的介绍，读者可作为参考。

图7是基于布里渊散射的分布式光纤温度应变传感系统（DTSS）的结构图。在该系统中，主要有几大部分：分布式反馈激光器（DFB laser）的驱动，光电调制器的控制，掺铒光纤放大器的设计与制作，后向散射信号的处理，信号采集和处理以及软件编程和界面显示。

图7 DTSS系统结构简图Fig.7 DTSS structure

3 光纤传感器在地质矿产勘探中的应用

基于光纤传感器的独特优势，其在各领域内均有特别应用。笔者以光纤传感器在地质矿产勘探中的应用为例，给出详细说明。读者可见微知著，以此类比，根据各自领域内的特点，有效地推广应用光纤传感器。

在地质矿产勘探中，有两大区域需要传感检测：一是对未知矿产是否存在的勘探；二是对已存在矿产挖掘开发时的安全监测。

3.1 光纤地震检波器在石油勘探中的应用

在勘探领域内，对于传统的地下石油勘探而言，地震检波器是必需的。

一方面，地震检波器是地震勘探中的第一个环节，地震采集数据的品质基本上取决于检波器本身的品质、埋置环境与记录数据系统的性能。目前，数据采集的动态范围已经达到了120dB，检波器的动态范围则大多在50dB左右，所以检波器本身的动态范围越来越成为地球物理勘探技术中的首要技术要求。由于大地本身就是一个低通滤波器，对高频信号衰减作用比较强，人工地震勘探过程中激发的频带相对丰富的地震波信号，在传输过程中，到达检波器中高频反射、折射信号非常弱，检波器必须具备拾取这种微弱信号的能力以真实地反映地质构造。地球物理勘探工作者对地震数据采集的动态范围与信号保真性的要求是无止境的，这就要求石油物探装备必须不断进步。

另一方面，经过几十年的勘探，那些埋藏较浅、表层地质条件比较简单的构造圈闭油田大多已被发现并开发，老油田挖潜的地震勘探目标转向埋藏较深、地质条件复杂的小构造油田、岩性圈闭油田和隐蔽型油气藏，如果能精确确定油气位置，则可以通过打水平井等措施，提高油气采收率，所以，提高地震勘探精度具有重要的经济价值。提高地震勘探精度是一个复杂的系统工程，包括采集、处理、解释诸多方面。由于计算机技术的发展，处理装备和技术进步很快，由于油田的开发深入，对构造的了解逐步加深。所以，目前采集技术是提高勘探精度的薄弱环节。提高野外采集作为地震勘探的第一道工序，如果不能采集到高质量的原始数据，后续工作不但难度加大，而且可信度降低。

传统的地震检波器以电、磁场的耦合为主，包括电容式、电阻式、动圈式、压电式等等，主要缺点是野外条件下，动态范围受到噪声水平的限制，且分辨率低；即使较先进的MEMS检波器也会受到强电磁的干扰，具有迟报、误报、检测精度不高等弊端。然而，Bragg光栅（FBG）有效避免了传统地震检波器的若干缺点，在一定的机械结构封装下，可以实现二维和三维、高精度、高分辨率、无干扰、多通道准分布式多点检测。图8、图9和图10分别是FBG地震检波器和电磁地震检波器频率响应、灵敏度以及抗电磁干扰的比较。图11是传统地震检波探头与FBG地震检波探头的实物以及效果对比图，从图中可以看出，一个FBG地震检波探头与一组（12个）电磁检波探头的效果相当，红色圈点的是地下1 000m的反射波，黄色圈点的是地下2 000m的反射波。图12是单光源四通道FBG地震检波系统的实物图。

3.2 DTS和光纤光栅压力传感器在油页岩勘探中的应用

图8 FBG地震检波器和电磁地震检波器频率响应的比较Fig.8 Frequency response comparison（FBG geophone vs.electromagnetic geophone）

图9 FBG地震检波器和电磁地震检波器灵敏度的比较Fig.9 Sensitivity comparison（FBG geophone vs.electromagnetic geophone）

基于能源供求之间的差距逐日增大，除了加大对传统能源资源的勘探和开发力度，还必须寻找新能源。油页岩作为传统能源的一种接替资源，储量非常丰富。因此采用合适的方法对其进行全面准确的勘探，具有重要的经济社会意义。

对油页岩开展地下原位开采，其加热井、监测井以及采油井等地下采油工艺，必须基于井下的温度、压力、流量和液位等参数来实施流程控制。传统的电类传感器无法在井下诸如高温、高压、腐蚀、地磁地电等干扰的恶劣环境下长期工作。光纤传感器可以克服这些困难，其对电磁干扰不敏感而且能承受极端条件，包括高温、高压以及强烈的冲击与振动，可以高精度地测量井筒和井场内压力、温度等环境参数。采用分布式光纤监测系统（包括DTS和准分布式光纤光栅压力传感系统）实现油页岩地下原位转化过程中地层温度、压力、流量和液位等参数的原位检测，以达到油页岩勘探、开发动态监测的目的。图13、14分别是DTS和光纤光栅压力传感器的测试曲线；图15、16是油页岩地下原位转化温度、压力系统及其安装工艺示意图。

图10 FBG地震检波器和电磁地震检波器抗电磁干扰的比较Fig.10 Electromagnetic interference comparison（FBG geophone vs.electromagnetic geophone）

3.3 光纤传感器在智能完井中的应用

目前国内油田的油藏多数是非均质多个油层，各油层出现大量水，严重的不得已关井，或者动用修井设备进行找水、堵水、封堵等费时费力的修井作业工作。因此，除了利用合适传感器实现石油的准确寻找定位外，油田工作者一直希望有一套技术可以同时开采多个油层并随时报告井下各层段或各分支井眼正在生产并流入井内的是什么，以及流量、压力、温度等参数的变化，以便人们能随时了解井下各产出层的情况，调整和控制各层的出液量，关闭高含水层，换层开采以提高效率，这样一种智能化完井技术是石油人不断追求的理想。它是将国防技术、微电子技术、机电一体化、智能仪器、现代通信和采油工艺技术、测试技术等多种高新技术结合而成，也是近年来国际石油开采技术中最有发展前景的高新技术。

图11 传统地震检波探头与FBG地震检波探头的实物以及效果对比图Fig.11 Traditional and FBG geophones

图12 四通道FBG地震检波系统实物图Fig.12 Four－channel FBG geophone system

光纤传感器（主要包括DTS和光纤光栅压力传感器）可应用于井下温度、压力、流量等参数测试，实时监测油气井内的温度和压力变化。由于分布式温度传感光纤测量可以在整个井段内进行，因而可以测量单层产液量，以提高井下永久性监测的质量；并且利用分布式温度传感器进行测量可以识别出整个储层段内所有的产油层以及各产层的产量。所以该系统具有分布式测量能力，可以测量被测量空间的空间分布，给出剖面信息，准确地进行井下各种参数的采集和监测，并且它可单独地采用水力滑套实现分层开采，使其互不干涉。此外，该系统还具有以下优点：耐高温，远距离测试，地面信号集中处理；可同时测量温度，压力，流量，含水率等参数；不带电操作，抗腐蚀，抗干扰性能好，测量精度高；长期稳定，测量精度不受传输光纤损耗变化影响，等等。其结构示意图见图17。

图13 DTS测试曲线Fig.13 DTS temperature measurement curve

图14 光纤光栅压力传感器测试曲线Fig.14 FBG pressure sensor measurement curve

图15 油页岩地下原位转化温度、压力系统示意图Fig.15 Temperature and strain detection system for oil shale

图16 油页岩地下原位转化温度、压力系统安装工艺示意图Fig.16 Temperature and strain detection installation system for oil shale

图17 智能完井中光纤传感器的结构示意图Fig.17 Optical fiber sensor structure in smart well

3.4 光纤气体传感器在地下煤矿安全监测中的应用

在安全监测中，对于地下煤矿有害气体浓度的监测而言，瓦斯传感器是必需的。

瓦斯事故是煤矿安全生产的主要威胁之一，开展瓦斯检测系统的研究具有十分迫切的需求和重大的社会效益和经济价值。传统的瓦斯传感器大多是基于机电器件的，存在的问题主要是系统可靠性不高、稳定性以及耐久性不够理想。同时矿井下的工作环境非常恶劣，受湿度高、腐蚀性强、电磁干扰等因素的影响，决定了现有电子传感系统在可靠性、稳定性和耐用性等方面存在固有的缺陷和不足。光纤瓦斯传感器与传统的电催化探测器相比有以下优点：本身不发热，无电，无火，这种固有的安全性消除了爆炸的危险和电磁干扰问题；测量的动态范围大，可以有效地起到预警作用；反应速度快；对气体种类有很高的选择性；对环境适应性强，能在潮湿、粉尘较多的环境下使用。和现有的红外吸收式的探头相比也有其优越性：探头损耗低，整体损耗为1～2 dB；吸收距离长，可达50mm，采用特殊的设计方案吸收距离能够达到2～5m；体积小，结构简单，易于使用。

基于甲烷的红外吸收谱谱图，光纤瓦斯传感器选用中心波长1 645nm的激光光源，设计制造特种结构的传感探头，以便增长有效吸收路径、增加吸收率且避免灰尘杂质的侵入而造成测量误差的影响，利用强度吸收法实现对甲烷气体体积分数的检测，并且利用差分法消除外界误差，利用可调谐二极管激光光谱法（TDLS）提高测量精度［10］，实现有效准确测量瓦斯浓度的目的，精度可达几十个ppm（10－6）。图18是光纤瓦斯浓度传感器的测试曲线。

图18 光纤瓦斯浓度传感器测试曲线Fig.18 Fiber gas concentration sensor’s measurement curve

同理，基于一氧化碳或其他有害气体的吸收谱图，光纤一氧化碳或其他气体传感器也已经或正在研制中，最终可实现井下有害气体浓度的全面、有效地安全监测。

5 小结

在传感领域内，随着技术的发展，光纤传感器门类齐全，种类繁多，功能强大：可测量温度、应变、压强、气体浓度等十几种物理量。大多普通意义上的光纤传感器传感机理已成熟，开始走进开发实用阶段，研究的重点已转向性能的提高和应用的推广方面，但具有特殊结构和特殊用途的光纤传感器如氧化铟包层光纤传感器［11］、胶状纤芯光子晶体光纤温度传感器［12］、光纤湿度传感器［13］、光纤氢传感器［14］、光纤氧传感器［15］等仍是国内外广大研究者探索研究的热点。

尽管相比较于电线的坚韧，光纤比较脆弱；相比较于电信号处理的单一性和兼容性，光信号的处理需先经过光电转换、过程较复杂；相比较于电器件的规范、大批量生产和廉价，光器件制作较困难、成品率低、价格较昂贵，所以目前光纤传感器还不能完全取代电传感器，但是光纤传感器具有无可替代的独特优势，吸引着国内外广大研究者为之继续努力研究、开发和推广，使其向高性能、规范化、网络化、实用化方向发展。

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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”国家科技支撑计划项目（2012BAK04B03）；国家自然科学基金项目（61174018）

崔洪亮（1956—），男，教授，博士，“千人计划”评聘专家，主要从事光纤传感、THz技术、纳米光学研究，E－mail：hcui＠jlu.edu.cn

常天英（1981—），女，博士，讲师，主要从事光纤传感及应用和THz技术研究，E－mail：changtianying1＠gmail.com。