突破中国光纤传感研发瓶颈，太原理工团队开发光纤监测新工具，将空间分辨率提升至厘米级别
日前，太原理工大学青年教师和教授所在团队提出一种新型拉曼分布式光纤温度传感技术，该技术可以提高拉曼分布式温度传感器的传感空间分辨率，并能在千米级的传感距离上实现厘米级的空间分辨率，也是目前全球范围内基于拉曼分布式光纤传感技术的长距离传感成果中，所能实现的最佳空间分辨率。
图 | 李健（来源：）
作为一款高效的测量监测工具，分布式光纤温度传感技术在军事武器装备、深海深地、极地科考、大型水利工程、智能电网等诸多领域有者重要应用价值。
例如，高空间分辨率的分布式光纤传感技术，可以为地球深部探测、深海深地资源勘探、以及深海信息感知提供高效的研究工具。
同时，该类技术还能为智慧电网电缆状态监测、故障与灾变研究提供绝佳的测试手段。
高空间分辨率的分布式光纤传感仪，则能在极地科考中发挥巨大作用，比如用于南极冰架和海洋温度的原位高效监测。
据介绍，光纤传感技术、通信技术、计算机技术共同构成全球信息产业的三大支柱。同时，它们也是当代科学技术发展的重要标志之一。
而分布式光纤传感仪是一种重要的新型科研工具。与传统的电子传感器相比，光纤传感器具有质量轻、体积小、耐腐蚀、安全度高、灵敏度高、可嵌入电绝缘、抗电磁干扰等特点，已成为传感器产业的源头组成部分和核心组成部分。
对于空间分辨率来说，它可以表征分布式光纤传感技术所能分辨的最小光纤长度。就基于拉曼分布式光纤传感技术的高精度探测而言，这一指标至关重要。
现有的拉曼分布式光纤传感技术，基于脉冲光时域反射的原理。光纤沿线任意位置之处所能解调的温度信息，是该位置空间分辨率长度之内所有位点温度的平均值。
该课题组的前期实验发现：当待测光纤长度小于系统传感空间分辨率之时，系统测量温度会与实际环境温度存在较大的测量误差。
此外，受到光纤模式色散的影响，所能探测到的光纤末端传感空间分辨率，会被恶化至数米。这严重限制了拉曼分布式光纤传感技术的应用。
为解决上述问题，学界曾提出以下几种技术方案：基于单模光纤的脉冲编码调制法、窄脉宽传感解调法、以及特种光纤传感法等方案。
但是，对于传感距离大于 10km 的长距离拉曼分布式光纤传感技术来说，受限于光源脉宽和光时域反射定位原理，导致其长距离传感下的最佳空间分辨率被限制在 1 米。
探测区域所能影响到的光纤长度，往往小于传感空间分辨率。这导致探测区域的温度变化信息，被完全淹没在空间分辨率所对应长度之内的环境温度噪声中，因此很难识别光纤区域所产生的温度变化特征，最终会导致相关事故的发生，丧失早发现、早治理的良机。
要知道，灾害事故往往是由微小温度变化逐步扩大而引起，一旦不加以防范就很有可能引发监测结构的重大灾害事故。
所以，进一步提升拉曼分布式光纤传感技术的传感空间分辨率，是领域内迫切需要解决的重大难题。
作为激光器的一种特殊输出方式，混沌激光具有宽频谱、类噪声、强度大幅振荡等特性。当以混沌激光作为传感信号时，在提高长距离分布式光纤传感技术的空间分辨率上，能够带来较大的优势。
以此为启发，该团队将混沌传感信号与拉曼分布式光纤传感技术加以结合，发展了这种新型拉曼分布式光纤温度传感技术。它基于宽频混沌激光，有望解决领域之内所面临的难题。
两代研究生长达 6 年的努力
而从定课题到发论文，本次成果经历了两代研究生长达 6 年的努力。表示：“对于一年级博士生新生入学之后第一个学期，我提出的要求是，必须粗读近十年领域内国内所有的硕博士论文，只有了解目前国内本领域的全部研究进展，才可以精准定位自己的位置。”
而只有精读领域内或交叉领域的高水平文献，才能从中寻找灵感并制定方案。他说道：“这个阶段要多注意思考，也要随机记录，把自己稍纵即逝的科研灵感记录下来。此外，我的科研灵感百分之八十来自于凌晨两点以后的头脑风暴。”
随后，便可以制定实验计划，实验计划越详细，实验结果越理想。其表示：“我认为前期思考实验的时间、结合实验后处理数据与思考的时间，要至少 3 倍长于做实验的时间，这样才会更加理解实验方案。”
经过上述过程之后，本次论文最终以《拉曼分布式光纤传感的物理与应用》（）和《混沌拉曼分布式光纤传感》（）为题发在 Light: Science & Applications[1-2]，和太原理工大学物理学院副院长教授（团队负责人）担任通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）
不过，对于拉曼分布式光纤传感技术的科学原理研究来说，依旧存在一些难题：
其一，存在长距离和高空间分辨率难以兼顾的瓶颈；
其二，存在信噪比与测量时间难以同时兼顾的瓶颈；
其三，存在现有解调方案所实现的空间分辨率性能，受限于探测器带宽的问题。因此，亟需发展新的解调方案，来解决探测器带宽受限的瓶颈。
其四，存在系统相关器件的粒子化研究不足，导致难以理解系统性能受限的真正原因。
（来源：Light: Science & Applications）
此前在工程应用上，国内学者针对拉曼分布式光纤传感技术的研究，主要集成在系统的小型化集成上，希望借此压缩系统和器件的成本。
但是，要想实现真正的应用，认为应该采取“三步走”的策略：
首先，在实际工程应用中，拉曼分布式光纤传感仪无法在未定标的前提下直接进行测量。所以要想实现高精度监测，系统就得在测量之前，对系统本身和传感光纤进行校准。
其次，当系统在长时间工作环境之下，使用现有的温度解调方案，很难保证系统的测量稳定性。
最后，在既有光纤或光缆的环境中，还得实现便捷化的测量。针对这三个问题，他和课题组曾在另一篇综述论文中有所讨论[2]。
另据悉，所在团队长期从事混沌分布式光纤传感技术基础理论及应用研究。除了本次论文，他们还曾开展过其它的新型分布式光纤传感基础理论与方法、关键技术与器件、工程仪器与应用的全链条研究工作。
通过这一系列的研究，他们实现了长传感距离、高空间分辨率的分布式应变、温度传感，解决了交通隧道、能源输送管网等重大设施的安全监测与灾害预警难题。
目前，课题组累计授权中国发明专利 100 余项、美国专利 3 项，研究成果曾获山西省技术发明一等奖、山西省自然科学二等奖、中国光学工程学会技术发明奖二等奖、中国专利优秀奖等科研奖励。
而本身既是太原理工的校友、也是这里的老师。早年，其博士毕业于太原理工光学工程专业，后曾远赴英国诺森比亚大学担任访问学者。
回国之后，他主要从事新型分布式光纤传感技术与应用，以第一完成人获中国科协青年人才托举工程。“在国际上曾首次将拉曼分布式光纤传感系统的空间分辨率提升至厘米量级，解决了我国在光纤传感领域的‘卡脖子’关键技术难题。我们所研发的仪器获得了中国光学工程学会首届金隧奖铜奖。”其表示。