光纤传感技术的进步：将空间分辨率提升至厘米级别

编辑：感知芯视界 万仞

近日，太原理工大学青年教师李健和张明江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。该研究成果最终以《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》为题发表在 Light: Science & Applications上。

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着重要应用价值。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。   

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10 km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 m。

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。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。

图片来源：Light: Science & Applications

除此之外，团队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。