我国光纤传感技术的发展历程

封面解析：

封面中是一根弯曲的多芯光纤，象征着光纤传感技术多年来曲折向上发展的前进道路，展现出我国光纤传感技术不断繁荣发展的背景。封面中给出了若干光纤传感技术在细分领域中的应用，光信号象征着光纤传感技术发展，不断前行照亮了传感技术在航空航天、土木建筑、工业领域、油气领域、医疗健康、海洋监测等多个场景的应用。作为一个案例和应用的缩影，我们给出了多芯光纤三维形状传感技术及其可能的应用展示（目前桂林电子科技大学苑立波教授团队实现该技术的全部国产化）。

封面文章| 苑立波, 童维军, 江 山, 等. 我国光纤传感技术发展路线图[J].光学学报, 2022, 42 (1):0100001.

1、研究背景

如果想要对一个动态的物体进行跟踪，在缺乏视觉接触的情况下，形状感知就显得特别关键。光纤形状传感为传统的形状感知提供了一种非常有效的替代方法，它可以在不需要视觉辅助情况下，对形状进行连续、动态、直接的跟踪。光纤形状传感具有出色的曲率、二维和三维形状感知的能力。同时光纤形状传感器具有结构紧凑、体积小、灵活性高、嵌入能力强等特点，可以很好的附着在被监测的物体上，保证了安装的便捷性和形状跟踪的有效性。

该技术将在介入式医疗器具、微创手术、灵巧机器人、飞行器姿态结构检测、水下形状监测等前沿领域中实现应用，例如位置实时跟踪，介入器械和导管导航，力和弯曲检测以及变形监测。几种可应用光纤形状传感技术的场景如图1所示，这几种不同的应用都有一个相似点：跟踪位置并测量关键部位的曲率。基于光纤形状传感器的独特优势，特别适用于一些特殊需求的应用，尤其是应用传统形状传感器困难的场景。目前，生物医学领域是光纤形状传感系统的主要应用领域。

图1 可应用三维光纤形状传感器的几种典型的场景。（a）智能插入式呼吸管；（b）介入治疗；（c）触觉感知；（d）铰接机械臂；（e）共形天线；（f）海洋监测

图1（a）所示为光纤形状传感的潜在应用智能插入式呼吸管，将光纤封装于呼吸管内，通过解耦温度、应变、折射率等参量，结合光纤三维形状传感实现对气管内温度、压力、脉搏等生理指标测量和呼吸管气囊的形状监测。图1（b）所示为微创介入手术应用场景，近年来，在微创手术技术进步和临床应用方面光纤形状传感具有的显著优势，显示出巨大的市场前景。微创手术需要通过小切口或沿着人体内自然孔道等在患者体内完成复杂而精细的手术，光纤形状传感器有较强的灵活性和可达性，可以嵌入器械内部或通过小切口或孔口实现对人体内医疗器械的形状和位置实时动态跟踪，避免了传统射线透视对医护人员和患者身体的伤害，可应用于耳鼻喉科手术，神经外科手术，腹部手术和血管介入手术，如心脏手术和支架置入术。

图1（c）和图1（d）所示为光纤形状传感技术在智能机械手、机械臂等机器人结构中的应用，包括同心管机器人，主动电缆驱动的导管和探针，单骨和多脊柱连续体机器人，气动和液压驱动的机械手等。光纤形状传感可以实现高精度动静态定位及变形监测，提供这些机械的形状和位置的动态反馈以实现更精确的控制，结合其他光纤压力传感器，还能实现机械触觉信息反馈。

图1（e）所示为光纤形状传感的蒙皮共性天线应用场景。天线结构的表面形状监测在保证蒙皮共形天线、空间天线反射器和天基相控阵天线等大型天线性能提升以及天线结构的安全和可靠运行方面将发挥越来越大的作用。当前，天线变形监测已成为天线结构健康监测和天线结构控制的重要研究领域。特别是在柔性天线结构中，由于外部载荷变化引起的结构变形不仅影响天线本身的结构安全，同时还会使天线的电气性能劣化。然而现有的天线结构由于缺乏自我形状感知，也受限于天线运行的实际操作条件，直接测量天线形变通常较为困难，因此使用嵌入式或附加的光纤形状传感器来间接测量天线结构的形状就提供了一种实现天线结构监测的新选择。

无论是在生物医学领域，工业领域还是结构健康监测中，光纤形状传感技术显示了巨大的应用潜力。图1（f）所示为光纤形状传感技术在海洋结构物监测中的应用，除此之外光纤传感技术还在在能源领域具备应用潜力，诸如井下煤矿开采挖掘机形状监测、打井及油气勘探、油气管线监测、矿用机械健康状态监测和连续钻探定位等。

2、多芯光纤三维形状传感技术

下面以本课题组多年研究的多芯光纤形状传感器作为我国光纤传感技术发展的缩影案例，讲述我们是如何从基础材料制造（多芯光纤）到关键器件研发（多芯光纤扇入扇出器、阵列多芯光纤光栅）再到系统集成（三维形状传感解调系统）与解算(重构算法软件)等关键技术的突破过程，最终实现了多芯光纤三维形状传感系统的完全国产化。

1） 基础材料制备：多芯光纤制造技术

本课题组采用了在石英预制棒基础上通过高精度打孔，并嵌入多个纤芯预制构件的方法来制备多芯光纤预制棒的。图2所示的是的三维形状传感器中使用的四芯光纤结构及预制棒制备方法，将制备好的四种折射率具有微小差异的芯棒嵌入孔中（a），然后进行旋转拉制（b），最后获得横断面与折射率分布如图2（c）所示的三角形分布的四芯光纤。

图2 四芯光纤：（a）预制棒制备；（b）旋转拉制；（c）横断面及折射率分布图。

2） 关键器件的研发：多芯光纤扇入扇出器、多芯光纤光栅阵列制造技术。

多芯光纤三维形状传感器系统除了四芯光纤基础材料之外，还需要包括多芯光纤扇入扇出器、多芯光纤光栅阵列在内的多种关键器件。课题组在多芯光纤信道分路器技术方面有多年的深入研究，目前已经实现2-7芯的多光纤扇入扇出器件的批量化制备，器件通道平均插损小于1dB，芯间串扰小于-45dB。

为保证在多芯光纤各个纤芯上制备出一致性较好的光栅，课题组在相位掩模板法制备光栅的基础上，采用了相位掩膜板+相位补偿板的多芯光纤光栅刻写方法，对多芯光纤光栅进行了批量制备。制备得到的光栅谱如图3（b）所示。

图3 （a）四芯光纤形状传感器结构及其关键器件；（b）四芯光纤光栅阵列透射光谱

3）解调系统集成：多芯光纤三维形状传感解调系统的集成

为实现对动态物体的持续跟踪。在进行形状测量时，需要对多芯光纤的每个测量剖面中不同纤芯的应变进行同时测量，以确定该剖面的三维曲率，进而使用插值或曲线拟合的方法将各剖面位置的曲率平滑后得到整根光纤的曲率函数，最后通过对重构算法实现三维形状的还原。课题组研制了完整的三维形变解调系统，如图3所示。样机的形状刷新频率为9Hz，实际可感知形状变化的曲率半径范围为0.17m-2.93m。

图4 （a）多芯光纤形状传感机理；（b）形状感测系统演示

3、展望

多芯光纤三维形状感知方法的优点是结构紧凑灵活、不受电磁干扰、易于集成安装、不需要视觉辅助，仅靠感测数值及重构模型即可重建形状。这些优势使得其在航空航天、介入式医疗、工业机械和大型建筑等领域的结构监测等领域具有广泛的应用价值。

课题组简介：

桂林电子科技大学光子学研究中心在苑立波教授领导下，近几年来，主持了国家重点研发计划项目、国家重大科研仪器研制项目、国防领域基金重点项目、国家自然科学基金重点项目等20多个项目。获得省部级自然科学一等奖、技术发明一等奖各一项。研究领域包括：特种光纤设计与制造、多芯少模光纤通信器件关键技术、三维形状光纤传感器技术。发展了以微结构光纤为基础的光镊技术，开拓了多芯光纤光动力操控的微光手技术。