微波光子传感技术研究进展综述

王 彬，张伟锋，赵双祥，，樊昕昱

（1. 北京理工大学信息与电子学院雷达技术研究所，北京 100081；2. 北京理工大学重庆创新中心，重庆 401120；3. 新体制民用雷达重庆市重点实验室，重庆 401120；4. 上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海 200240）

1 引言

随着物联网产业的不断发展和“智慧城市”建设的快速推进，传感技术作为一种重要的信息感知手段，成为当前国内外研究热点方向之一. 目前，现有传感技术根据传感机理不同可以分为光学传感技术和电学传感技术两类. 其中，光学传感技术以光信号作为传感信息载体，以各类光子器件作为传感单元，通过测量外界物理参量引起的光信号特征参数（波长、强度、相位、偏振等）变化，可实现温度、应变、压力、折射率、振动、角速度、磁场强度等多种物理参量传感，具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、复用能力强等诸多优点，在边界安防、航天航空、能源电力、石油化工、工业制造、智能结构健康监测等领域得到广泛应用.

传统光学传感技术通过在光域测量光传感信号波长漂移或者功率变化，实现传感信息解调. 其中，光谱分析仪（Optical Spectrum Analyzer，OSA）作为一种常用的光信号分析仪器，可以直接获得光学传感器的频谱响应信息，操作简单，但测量精度（0.02 nm）和测量速度（＜100 Hz）受限，且造价非常昂贵［1］. 采用边缘光滤波器（Edge Optical Filter，EOF）作为波长解调器，可以将光波长漂移线性地转化为光功率变化，从而避免波长扫描过程［2］. 该方案可以显著提高光学传感器的测量速度（＞1 kHz），但是其传感精度较低，光源功率抖动等因素会引入较大的波长测量误差. 此外，基于线性扫频光滤波器也可以实现光学传感器解调［3］，通过测量扫频过程中光功率变化，可以实现级联多个传感单元的准分布式测量，但是传感精度、测量速度和测量范围等性能指标之间仍然存在相互制约关系. 因此，如何实现高速高精度光学传感仍然是一个亟待解决的问题.

微波光子学是一门研究光与微波相互作用的新型交叉学科，旨在利用现代光学技术实现高频宽带微波信号产生、传输、处理和测量，具有高频、宽带、抗电磁干扰、并行处理等显著优势. 其中，微波光子传感是微波光子学一个重要的研究领域［4，5］. 它利用各类新型光学器件实现传感信息光域感知，结合微波光子技术实现光域传感信息到微波信号物理参量变化的映射和转换. 将低精度的光波长漂移和光功率变化测量转化为高精度的微波信号频率、相位和延时测量，结合精密微波测量仪器和精细微波信号处理技术，可显著提高光学传感系统的传感精度和测量速度.

本文将详细介绍微波光子传感技术最新研究进展，主要聚焦基于微波光子信号产生的传感技术、基于微波光子滤波的传感技术、基于频谱整形-波长时间映射的传感技术、分布式/准分布式微波光子传感技术，以及集成微波光子传感技术，最后对微波光子传感技术未来的研究方向与发展趋势进行讨论和展望.

2 基于微波光子信号产生的传感技术

基于微波光子信号产生的传感技术旨在利用微波光子技术将光传感信号波长、相位等参数变化转换为微波信号频率变化，从而提升传感精度和测量速度. 目前，根据传感机理不同，它可以分为外差拍频和光电振荡器（Opto-Electronic Oscillator，OEO）两类.

2.1 基于外差拍频的微波光子传感技术

图1 为外差拍频原理示意图. 携带传感信息的光信号Escos（ωst+φS）和参考光信号ERcos(ωRt+φR)在光耦合器中干涉，经过光电探测器接收后产生携带传感信息的微波信号，可以表示为

图1 外差拍频原理示意图

其中，A为常数；ωs，ωR，φS，φR分别为传感光信号和参考光信号的频率和相位. 由式（1）可知，当传感光信号频率（波长）发生改变时，外差拍频产生的微波信号也会产生相同的频率变化量. 在1550 nm 波段，采用光学方法（例如OSA）实现的光频率（波长）测量精度一般为GHz（pm）量级，而外差拍频产生的微波信号频率测量精度可以达到1 kHz以下，因此可以显著提高光学传感器的传感精度.

1993 年，韩国的Kim 等人提出基于偏振光纤激光器和外差探测的横向压力传感技术［6］. 在该系统中，当传感光纤受到横向压力影响时，其双折射会发生变化，从而改变激光器在两个正交偏振模式下的谐振波长，因此通过测量偏振模式拍频（Polarization Mode Beat Frequency，PMBF）可以实现横向压力传感. 随后，该课题组进一步利用90°偏振态旋转熔接结构提升偏振光纤激光器对温度和应变的响应度［7］，实现了30 kHz/(°C·cm)和43 kHz/μm的温度和应变传感灵敏度.

2001 年，英国南安普顿大学Hadeler 等人提出基于双纵模分布式反馈（Distributed FeedBack，DFB）激光器的温度/应变同时传感技术［8］，利用纵模拍频（Longitudinal Mode Beat Frequency，LMBF）和PMBF对温度和应变响应度的不同，构建二维传感参量矩阵，实现了0.2°C和15 με的温度和应变传感精度.

2007 年，浙江大学何赛灵教授团队提出基于分布式布拉格反射（Distributed Bragg Reflector，DBR）光纤激光器和外差拍频技术的温度/应变同时传感系统［9］，工作原理如图2 所示. 其通过同时监测DBR 激光器的PMBF 变化和波长漂移，进一步将温度/应变传感精度提升至0.05°C 和9.3 με. 随后，该研究团队通过深入研究DBR 激光器和光纤激光器中正交偏振模式的演变机理以及不同物理参量对传感光纤特征参数的作用机制，提出了高精度横向压力测量、弯曲测量等多种光学传感机理［10～12］.

图2 基于DBR激光器和外差拍频的光学传感系统原理示意图[10]

2008 年，大连理工大学关柏鸥教授团队基于双偏振DBR 激光器结构和外差拍频技术的高灵敏度横向压力传感系统［13］，通过优化光学传感器受压角度和长度等参数，实现了10 GHz/（N/mm）的传感灵敏度. 随后，该研究团队通过研究不同物理参量对DBR 激光器中传感光纤双折射的影响机制，进一步提出了基于外差拍频技术的位移传感、电流传感、超声波探测等多种高精度传感系统［14～16］.

2010 年，南京大学陈向飞教授团队提出基于多纵模光纤激光器和外差拍频技术的高精度光学传感机理［17，18］. 光纤激光器不同纵模之间相互干涉产生等频率间隔的拍频信号，通过测量拍频信号的频率变化，可以获得温度、应变等传感信息，温度和应变分辨率分别为0.2°C 和3.6 με. 随后，该研究团队进一步优化了信号解调和处理过程，大幅提升了光学传感器的测量速度，实现了高频振动信号的高精度传感［19，20］. 此外，他们还提出了基于波分复用的多点式光学传感系统，通过采用波分复用器（Wavelength Division Multiplexers，WDM）构成双波长的多纵模光纤激光器，实现了两个传感单元的同时解调［21］.

2012 年，华中科技大学孙琪真教授团队提出了基于双波长光纤激光器结构的高精度液位传感器［22］，通过测量传感相移光栅（Phase-Shifted Fiber Bragg Grating，PS-FBG）和参考PS-FBG 之间的频率变化，在1.5 mm 测量范围内实现了2.12×107MHz/m 的超高灵敏度. 2013年，荷兰特文特大学Pollnau 等人提出了基于集成双波长DFB 激光器的微粒尺寸传感系统，通过测量激光器双纵模之间的频率差［23］，实现了直径为1～20 μm 的微粒尺寸测量，测量精度可达500 nm.2015 年，重庆大学朱涛教授团队提出了基于光纤环形激光器结构的高精度磁场传感系统，通过测量外界磁场导致的PMBF变化［24］，实现了0～437 Oe 测量范围内7.09 kHz/Oe 的传感灵敏度.2015 年，南京大学张旭苹教授团队提出了基于多波长布里渊光纤激光器拍频的高灵敏度温度传感系统［25］，通过采用12 阶斯托克斯光作为传感光信号，产生的拍频信号温度传感响应度提高了12 倍（13.08 MHz/°C）.

综上所述，基于外差拍频的微波光子传感技术通过将低精度的光波长测量转换为高精度的微波频率测量，具有传感精度高、测量速度快、结构简单等显著优势.

2.2 基于光电振荡器的微波光子传感技术

光电振荡器是光学与电学完美结合的一种器件，它以低损耗光纤作为储能媒介，通过构建超高品质因数光电融合谐振环路，可实现超低相位噪声微波信号光学合成［26～28］.OEO 除了作为信号源外，也是一种超高精度光学传感装置［29］，其工作原理如图3（a）所示. 目前，基于OEO的微波光子传感系统可以分为以下两类.

第一类采用经典OEO 结构，通过测量OEO 腔长的变化从而获得传感信息. 如图3（b）所示，OEO 的输出信号包含一系列离散的谐振模式，谐振频率可以表示为

其中，k为正整数，c为真空中光速，n为光纤纤芯的有效折射率，L为OEO 腔长. 当外界物理参量引起n或者L发生变化时，OEO 的谐振频率也会随之改变. 因此，通过测量OEO 谐振频率变化，可以准确地获得待测物理量信息.

第二类采用基于微波光子滤波器（Microwave Photonic Filter，MPF）的OEO 结构. 如图3（c）所示，MPF 既作为选频器件，同时也是传感单元. 当MPF 中心频率变化时，OEO 输出微波信号频率也会随之改变. 因此，基于上述传感机理，也可以实现高精度光学传感.

图3 基于光电振荡器（OEO）的微波光子传感系统

基于OEO 腔长测量传感机理，国内外研究者提出了一系列高精度光学传感系统.2010年，法国SATIE 实验室Journet等人率先提出基于OEO的高精度折射率传感器［30］. 如图4 所示，他们将待测溶液置于OEO 环路中，当溶液折射率发生变化时，OEO 腔长也会随之改变. 通过测量OEO输出微波频率变化，实现了10-3的折射率传感精度.

图4 基于OEO的折射率传感系统原理示意图[30]

2014 年，韩国国防科学研究所Lee 等人首次利用OEO 准确测量了声光调制器（Acousto-Optic Modulator，AOM）中的声速［31］，测量结果为（4.26±0.04）×103m/s.同年，西南交通大学邹喜华教授团队提出了基于非相干光源的OEO系统［32］，并将其应用于光程测量，实现了-480 kHz/cm 的传感灵敏度，理论光程分辨率可以达到纳米量级. 浙江大学金晓峰教授团队提出了基于OEO的高精度温度传感系统［33］，采用注入锁定技术消除OEO 起振时的频率抖动，在20～240°C 测量范围内实现了0.12 °C 的温度分辨率. 2017 年，该研究团队提出了基于OEO 和双输出马赫-曾德尔调制器（Dual-Output Mach-Zehnder Modulator，DOMZM）的高精度光学振动传感系统［34］. 如图5 所示，该系统利用DOMZM 的两个输出端口和保偏光纤耦合器构成马赫-曾德尔干涉仪结构（作为传感单元），利用光电探测器实现光相位变化到微波相位变化的线性转换，结合高精度微波鉴相技术，实现了0.21 μrad/√Hz（@10 kHz）的振动传感灵敏度.

图5 基于OEO的高精度光学振动传感系统原理示意图[34]

2017 年，电子科技大学邱琪教授团队提出了基于双OEO 环路的温度不敏感应变传感系统［35］，实现了600 με 测量范围内0.3 με 的应变传感灵敏度. 2018年，北京交通大学王目光教授团队提出了基于OEO和萨格纳克干涉仪的高精度光学角速度传感系统［36］，通过测量萨格纳克效应导致的OEO 谐振频率漂移，实现了51.8 kHz/（rad/s）的角速度传感灵敏度. 2020 年，该研究团队提出基于OEO 和法拉第旋光效应的高精度电流传感系统［37］，在0～2.5 A 测量范围内实现了152.5 kHz/A的电流传感灵敏度.

除了基于腔长测量的OEO 传感系统外，基于微波光子滤波器（Microwave Photonic Filter，MPF）结构的OEO传感技术也引起了广泛的关注.2012年，加拿大渥太华大学姚建平教授团队提出了基于OEO 和相移光纤光栅（Phase-Shifted Fiber Bragg Grating，PS-FBG）的高精度应变传感系统［38］. 如图6（a）所示，PS-FBG 既作为应变传感单元，同时也和激光器、相位调制器、光电探测器等器件共同构成一个窄带MPF，用于OEO 选频. 如图6（b）所示，当外加应变导致PS-FBG 反射波长发生变化时，MPF 的中心频率也随之改变. 因此，通过测量OEO 输出信号频率变化，可以准确地测量施加的应变大小.2013 年，该研究团队提出了基于保偏PS-FBG 的双频率振荡OEO 传感系统，实现了温度不敏感的横向负载测量［39］. 随后，他们进一步提出了光电互耦OEO结构来提高传感系统的频率稳定度［40］，最终实现了9.735 GHz/（N/mm）的传感灵敏度和3.1566×10-4N/mm的横向负载测量分辨率.

图6 基于微波光子滤波器结构的OEO传感技术[38]

2016 年，姚建平教授团队基于马赫曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer，MZI）结构和色散元件构建了有限冲激响应的窄带MPF，并构建了高精度OEO温度传感系统［41］，其工作原理如图7（a）所示. 图7（b）给出了温度传感实验结果. 当MZI 的臂长差受到温度影响时，OEO 的输出频率也会随之发生改变，该方案实现了3.73 MHz/°C 的温度传感灵敏度和0.015°C 的温度测量分辨率.

图7 基于OEO和马赫-曾德尔干涉仪的温度传感系统[41]

2017 年，北京交通大学王目光教授团队提出了基于保偏光纤光栅F-P 滤波器的双频OEO 传感系统，实现了温度和应变同时传感［42］. 随后，他们通过设计不同结构的光纤光栅F-P 滤波器，分别实现了磁场强度、折射率等传感系统［43，44］.2019 年，重庆大学朱涛教授团队提出了基于受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）的OEO 温度传感系统［45］，利用OEO 中的模式竞争效应，实现了应变不敏感的温度传感，温度传感灵敏度和分辨率分别为1 MHz/°C和0.5°C.

基于OEO 的微波光子传感技术采用OEO 作为光波与微波之间信号转换的桥梁，结合高精密微波测量仪器和高精细微波信号处理技术，可显著提升光学传感系统测量精度和速度，同时降低传感系统成本.

3 基于微波光子滤波的传感技术

微波光子滤波器利用光域信号处理技术实现微波滤波功能，具有大带宽、可重构等独特优势. 图8 给出微波光子滤波器的工作原理示意图，其主要包含光源、电光调制器、光信号处理单元和光电探测器等光电器件. 微波光子滤波器除了作为关键微波信号处理器件外，也可用于光学传感器解调. 利用矢量网络分析仪测量微波光子滤波器的幅度和相位响应，可以准确地获得外界物理参量信息，从而实现高精度光学传感.

图8 微波光子滤波器原理示意图

2009 年，浙江大学何赛灵教授团队提出基于双抽头微波光子滤波器的光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）应变传感系统［46］. 如图9 所示，FBG 反射的传感光信号经过电光调制器后，在萨格纳克环中沿顺时针和逆时针两个方向传播，随后被线性啁啾光栅（Linearly-Chirped Fiber Bragg Grating，LCFBG）反射，经过光电转换后构成双抽头微波光子滤波器. 当外加应变导致传感FBG 反射波长变化时，由于LCFBG 的色散效应，微波光子滤波器两个抽头信号之间的时延差会随之改变. 因此，测量微波光子滤波器的响应特性，可以准确地获得传感FBG的应变信息.

图9 基于双抽头微波光子滤波器的传感系统原理示意图[46]

基于双抽头微波光子滤波器结构，国内外研究者提出了一系列高精度光学传感系统.2015年，美国克莱姆森大学Huang 等人提出了基于蓝宝石光纤和双抽头微波光子滤波器结构的高温传感系统［47］，温度测量范围可达1400 °C，温度分辨率为0.5 °C. 同年，暨南大学冯新焕教授团队提出了基于微纳光纤光栅和双抽头微波光子滤波器结构的高精度折射率传感系统［48］，并将其成功应用于DNA 分子杂交探测.2016 年，南京师范大学汪弋平教授团队提出了基于FBG 和双抽头微波光子滤波器结构的横向压力传感系统［49］，实现了2.5 MHz/N 的传感灵敏度.2017 年，瓦伦西亚理工大学Capmany 等人提出了基于多芯光纤FBG 和双抽头微波光子滤波器结构的高精度弯曲传感系统［50］，传感灵敏度可达92 MHz/m-1.2020年，香港理工大学吕超教授团队提出了基于聚合物光纤FBG 和双抽头微波光子滤波器结构的高精度湿度传感系统［51］，测量分辨率比传统光波长测量方案提高了两个数量级.

除了基于双抽头微波光子滤波器结构的光学传感系统外，利用多抽头结构形成带通微波光子滤波器也被广泛应用于高精度光学传感系统中.2014年，中科院半导体所李明研究员团队提出了基于多抽头带通微波光子滤波器结构的高分辨率光程测量系统［52］. 如图10所示，该方案采用MZI 结构进行光谱切割，结合色散补偿光纤构成带通微波光子滤波器，通过测量微波光子滤波器中心频率变化，可以准确地测量MZI 两臂光程差的变化，理论测量分辨率可以达到皮米量级.

图10 基于微波光子滤波器的光程测量系统原理示意图[52]

2017 年，南京师范大学汪弋平教授团队提出了基于多抽头带通微波光子滤波器结构的高精度光学压力传感器［53］. 该方案采用一个法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Perot Interferometer，FPI）同时实现压力感知和光谱切割功能，在0～4 MPa 范围内实现了86 MHz/MPa 的压力传感灵敏度. 同年，加拿大麦吉尔大学Chen 等人利用两个具有不同光谱切割特性的FBG 法布里-珀罗谐振腔作为传感单元，基于频分复用机理，实现了多点温度/应变传感［54］. 2019 年，澳大利亚悉尼大学Yi 等人提出了基于往返光谱切割技术的高精度光程差测量系统［55］，光程差测量灵敏度和分辨率分别为5.56 GHz/mm 和124 μm.

近年来，随着各类新型光学技术和信号处理方法的提出，微波光子滤波器传感系统的性能指标得到进一步提升. 例如，2017 年，华中科技大学舒学文教授团队通过引入游标效应［56］，显著提升了微波光子滤波器传感系统的传感灵敏度.2021年，西南交通大学邹喜华教授团队首次将机器学习算法引入微波光子滤波器传感系统中［57］，显著提升了传感信号的解调精度和速度.同年，南方科技大学邵理阳教授团队提出了网络化的微波光子传感架构［58］，基于单一传感系统实现了温度、扭曲、横向压力等多种物理参量的同时测量.

4 基于频谱整形-波长时间映射的微波光子传感技术

频谱整形-波长时间映射（Spectral-Shaping and Wavelength-To-Time Mapping，SS-WTTM）是另一种实现高速高精度光学传感的技术. 它通过利用光学色散元件（例如光纤、线性啁啾光栅等）实现光波长域（频域）信息到时域信息的线性映射和转换，结合宽带数据采集和精细信号处理技术，可显著提升光学传感系统的测量速度和分辨率.

图11给出了SS-WTTM的原理示意图. 当脉冲信号g（t）入射到色散元件中，输出信号的时域波形［59］可以表示为

图11 频谱整形-波长时间映射原理示意图[59]

其中，̈为色散元件的色散量，并且满足时域夫琅禾费衍射条件：

其中，Δt0为输入脉冲信号宽度. 由式（3）可知，输出信号y（t）的时域波形反映了输入信号g（t）的频谱信息.因此，测量y（t）可以准确获得光学传感单元的频谱响应，从而实现高精度光学传感.

2004 年，美国加州大学洛杉矶分校Jalali 等人提出了基于SS-WTTM 的气体传感系统［60］，实现了CO 等气体吸收谱测量.2010年，加拿大渥太华大学姚建平教授团队提出了基于SS-WTTM 的高速高精度FBG 传感系统［61］，通过校正色散补偿光纤（Dispersion-Compensated Fiber，DCF）的高阶色散效应，实现了48.6 MHz 的测量速度和0.87 με 的应变传感精度. 随后，该研究团队进一步提出了基于SS-WTTM和干涉时域光谱测量技术的高精度FBG传感系统［62］，将应变测量精度提高至0.48 με.此外，该研究团队还分别提出了基于LCFBG 和随机光纤光栅（Random Fiber Bragg Grating，R-FBG）的线性啁啾信号和随机信号产生机理［63～65］，结合脉冲压缩技术，进一步将应变传感精度提升至0.25 με，并且利用光纤光栅不同偏振态的反射光谱对温度和应变响应度的不同，通过构建二维传感参量矩阵，实现了温度和应变同时传感.

2016 年，上海交通大学邹卫文教授团队基于高性能锁模激光器（Mode-Locked Laser，MLL）的超高速FBG应变传感系统［66］，测量速度可达201 MHz. 2019 年，阿根廷CNEA 实验室Fernández 等人提出了基于SSWTTM 和高斯光滤波器的高性能FBG 传感器解调系统［67］，温度/应变测量速度可达264 MHz.2021 年，北京交通大学延凤平教授团队结合SS-WTTM解调技术和各类新型的光学传感单元（例如单模-两模-单模光纤结构等）［68，69］，实现了温度不敏感的高精度应变传感，测量速度可达100 MHz，应变传感响应度为0.3 ps/με，应变/温度交叉敏感系数为0.53 με/°C.

基于SS-WTTM的微波光子传感技术可实现超高的传感速度（数十兆赫兹），结合脉冲压缩等数据处理技术可实现高精度传感，适用于超高速瞬态过程实时动态监测.

5 分布式/准分布式微波光子传感技术

分布式/准分布式微波光子传感技术通过利用时分、频分、波分等复用技术，可实现全分布式或者准分布式（多点式）高精度光学传感，在智能结构健康监测等领域具有广泛应用.

2013 年，美国密苏里科技大学Huang 等人提出了微波光子辅助的准分布式FPI传感系统［70，71］，通过测量FPI 传感阵列的时域响应，实现了3 个FPI 传感单元的准确定位和高精度应变传感. 同年，瓦伦西亚理工大学Capmany 等人提出了基于多抽头MPF 和长FBG 的准分布式光学传感系统［72］，其工作原理如图12所示，利用矢量网络分析仪测量MPF 的S21响应曲线，经过反傅里叶变换（Inverse Fourier Transform，IFT）后获得系统时域响应以及各个抽头信号的时延量，从而实现长FBG 上受热点的准确定位，空间分辨率高达0.5 mm.

图12 基于多抽头微波光子滤波器的准分布式光纤光栅传感系统工作原理示意图[72]

基于多抽头MPF 结构，华中科技大学刘德明教授团队利用匹配光滤波器将FBG 反射光波长漂移转换为光功率变化，实现了基于FBG 阵列的准分布式应变传感［73］.2016年，西班牙巴仑西亚理工大学Hervás等人提出基于KLT 算法的数据处理方法［74］，大幅提升了MPF准分布式传感系统的测量速度.2021年，华中科技大学夏历教授团队提出了基于MPF 和频分复用技术的准分布式FPI 温度和应变传感系统［75］，实现了4 个FPI 传感单元的同时解调.

除了基于MPF 的分布式/准分布式微波光子传感技术外，基于微波光子信号产生技术也可以实现分布式/准分布式传感. 2014 年，暨南大学关柏鸥教授团队基于外差拍频机理［76］，利用CO2 激光器侧面辐射工艺调控DBR 激光器的环内双折射，改变DBR 激光器的PMBF，结合频分复用技术，实现了16 个DBR激光器传感单元的同时解调.2020 年，南京大学陈向飞教授团队提出了基于低频OEO 结构的准分布式FBG 传感系统［77］，实现了1 km 范围内多个FBG 传感单元的准确定位以及温度和应变传感信息的高精度解调.

此外，基于色散波长-时间映射机理，国内外研究团队提出了一系列高性能的分布式/准分布式微波光子传感系统.2017年，英国肯特大学王超教授团队提出了基于光域时间拉伸频率反射仪（Optical Time-Stretch Frequency-Domain Reflectometry，OTS-FDR）技术的高性能分布式应变传感系统［78］，实现了50 MHz 的测量速度、31.5 μm 的空间分辨率以及9.1 με 的应变分辨率.2018年，武汉理工大学李政颖教授团队提出了基于色散效应的大规模全同FBG传感网络解调技术［79］，实现了105个FBG 同时解调，解调速度为40 kHz，FBG 反射波长测量精度为8 pm（～0.8°C/～8 με）.2019 年，加拿大渥太华大学姚建平教授团队提出了基于SS-WTTM和时分复用的准分布式传感系统［80］，采用R-FBG 作为传感单元，结合数字域脉冲压缩技术，实现了0.23°C 和2.5 με 的温度和应变传感灵敏度. 随后，该研究团队进一步提出基于LCFBG 阵列和光域脉冲压缩的准分布式传感系统［81］，其工作原理如图13 所示. 该系统采用LCFBGij作为传感单元，实现光波长漂移到光脉冲时延变化的线性转换，采用另一个具有相反色散系数的LCFBG（LCFBG*）在光域进行脉冲压缩，从而提高温度/应变传感分辨率. 该系统实现了6个LCFBG 传感单元同时解调，测量速度为48.6 MHz，温度和应变分辨率分别为0.045°C和0.26 με.

图13 基于LCFBG 阵列和光域脉冲压缩的准分布式光学传感系统工作原理示意图[81]

6 集成微波光子传感技术

随着超大规模、超高精细光子集成技术的快速发展，小型化和芯片化成为微波光子传感未来发展的必然趋势. 芯片集成不仅能大幅减小微波光子传感系统体积、降低功耗和成本、提高系统稳定性，同时微纳波导结构可显著增强光与物质的相互作用，从而提升微波光子传感系统的灵敏度.

2017 年，以色列希伯来大学Levy 等人提出了基于PDH 稳频和级联微环谐振腔的超高精度折射率和温度传感系统［82］，其中一个微环谐振腔用作传感单元，另一个微环谐振腔用作参考单元，利用PDH 技术，将两个激光器的中心波长分别锁定在两个微环谐振腔的谐振波长处，两个激光器产生的拍频信号由高速光电探测器接收，从而实现光波长漂移到微波频率变换的线性映射和转换. 该方案实现了10-8的折射率传感精度和90 μK的温度传感精度.

随后，澳大利亚悉尼大学Yi 等人提出了基于OEO和硅基集成微环谐振腔（Micro-Ring Resonator，MRR）的高精度温度传感系统［83］. 如图14 所示，MRR 既作为传感单元，同时也是频率选择器件，通过测量OEO 输出信号频率变化，可以准确地获得集成MRR 的温度信息.该方案实现了7.7 GHz/°C 的温度传感灵敏度和0.02°C的温度分辨率. 随后，该研究团队通过深入研究集成MRR 的幅度和相位响应特性，进一步提出了基于notch型集成微波光子滤波器结构的高精度温度和折射率传感系统［84，85］.

图14 基于OEO和MRR的集成微波光子传感系统原理示意图[83]

2018 年，加拿大姚建平教授团队提出了基于带通MPF 和硅基集成微盘谐振腔（Micro-Disk Resonator，MDR）的高精度温度/折射率传感系统［86］. 如图15 所示，激光器、相位调制器、MDR 和光电探测器构成带通MPF 结构，通过利用宽度线性调频信号可以准确地测量MPF 中心频率变化，从而获得温度、折射率等传感信息. 该方案实现了0.234°C 和1.32×10-3RIU 的温度和折射率传感灵敏度，测量速度为100 kHz. 随后，该研究团队通过利用MDR 两个高阶谐振模式对温度和折射率的响应度不同［87］，构建二维传感参量矩阵，实现了温度和折射率同时测量，温度和折射率传感灵敏度分别为2.4×10-5°C 和9.1×10-8RIU，测量速度为1 MHz.

图15 基于带通MPF和MDR的集成微波光子传感系统原理示意图[86]

2021 年，北京大学王兴军教授团队提出了基于集成外差干涉仪结构的超高精度光学传感系统［88］，突破了1/f噪声极限，实现了单个聚苯乙烯纳米粒子和HIV-1病毒探测，测量精度可达17.5 nm. 同年，美国华盛顿大学Yang等人提出了基于光学回音壁模式条形码的高精度大范围温度传感系统［89］，利用微气泡谐振腔的多模干涉特性构建条形码数据库，实现了65 °C 测量范围内0.002°C的测量精度.

下面对各类微波光子传感技术的优缺点进行总结，如表1 所示. 其中，基于微波光子信号产生的传感技术具有较高的传感精度和测量速度，可用于温度、应变等物理量的高精度测量；基于微波光子滤波器的传感技术可实现折射率、横向压力、弯曲、光程差等多元物理参量的高精度传感，但是通常需要矢量网络分析仪来测量微波光子滤波器的响应，因此测量速度受限；基于频谱整形-波长时间映射的传感技术可实现高达数十兆赫兹的测量速度，可用于瞬态物理过程的实时动态监测，但对解调系统带宽要求较高；分布式/准分布式微波光子传感技术可用一套解调系统实现多点/分布式传感，可用于大型建筑结构健康监测等应用，但传感单元器件物理结构和参数需特殊设计；集成微波光子传感技术具有小尺寸、高灵敏度、低成本、高稳定性等显著优势，是微波光子传感技术未来发展的必然趋势，但是仍然存在插入损耗大、批量制备工艺尚不成熟等问题.

表1 微波光子传感技术对比

7 结束语

微波光子传感作为一种新型的光学传感技术，结合光域感知和微波域处理的技术特点，具有传感精度高、测量速度快等显著优势，在边界安防、航天航空、工业制造、智能结构健康监测等领域具有广泛的应用前景. 随着新一代物联网技术的高速发展，对微波光子传感技术也提出了一系列新的要求，主要包括如下几个方面.

（1）单片集成. 目前，现有微波光子传感系统大都由分立光电器件构成，存在体积大、功耗高、成本高等不足，芯片化和集成化是微波光子传感技术未来发展的必然趋势，如何实现传感单元和解调系统单片集成是一个亟待解决的问题.

（2）全分布式传感. 超大规模分布式传感网络是物联网系统的重要组成部分，因此基于微波光子技术构建全分布式光学传感链路具有重要意义.

（3）多参量感知. 目前，现有微波光子传感系统大都只能测量一到两个传感参量，而且不同传感参量之间存在较大串扰，如何实现多参量感知融合是一个亟待解决的问题.

（4）智能化探测. 结合人工智能、机器学习等新型数据处理方法，形成智能化微波光子传感架构，有望实现微波光子传感系统性能指标飞跃.