一種新型拉曼分布式光纖溫度傳感技術(shù)

近日，太原理工大學(xué)青年教師李健和張明江教授所在團(tuán)隊(duì)提出一種新型拉曼分布式光纖溫度傳感技術(shù)，該技術(shù)可以提高拉曼分布式溫度傳感器的傳感空間分辨率，并能在千米級(jí)的傳感距離上實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的空間分辨率，也是目前全球范圍內(nèi)基于拉曼分布式光纖傳感技術(shù)的長距離傳感成果中，所能實(shí)現(xiàn)的最佳空間分辨率。該研究成果最終以《拉曼分布式光纖傳感的物理與應(yīng)用》和《混沌拉曼分布式光纖傳感》為題發(fā)表在 Light: Science & Applications上。

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作為一款高效的測量監(jiān)測工具，分布式光纖溫度傳感技術(shù)在軍事武器裝備、深海深地、極地科考、大型水利工程、智能電網(wǎng)等諸多領(lǐng)域有著重要應(yīng)用價(jià)值。例如，高空間分辨率的分布式光纖傳感技術(shù)，可以為地球深部探測、深海深地資源勘探、以及深海信息感知提供高效的研究工具。

同時(shí)，該類技術(shù)還能為智慧電網(wǎng)電纜狀態(tài)監(jiān)測、故障與災(zāi)變研究提供絕佳的測試手段。高空間分辨率的分布式光纖傳感儀則能在極地科考中發(fā)揮巨大作用，比如用于南極冰架和海洋溫度的原位高效監(jiān)測。? ?

該課題組的前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)待測光纖長度小于系統(tǒng)傳感空間分辨率之時(shí)，系統(tǒng)測量溫度會(huì)與實(shí)際環(huán)境溫度存在較大的測量誤差。此外，受到光纖模式色散的影響，所能探測到的光纖末端傳感空間分辨率，會(huì)被惡化至數(shù)米。這嚴(yán)重限制了拉曼分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用。

為解決上述問題，學(xué)界曾提出以下幾種技術(shù)方案：基于單模光纖的脈沖編碼調(diào)制法、窄脈寬傳感解調(diào)法、以及特種光纖傳感法等方案。

但是，對(duì)于傳感距離大于10 km的長距離拉曼分布式光纖傳感技術(shù)來說，受限于光源脈寬和光時(shí)域反射定位原理，導(dǎo)致其長距離傳感下的最佳空間分辨率被限制在1 m。

探測區(qū)域所能影響到的光纖長度，往往小于傳感空間分辨率。這導(dǎo)致探測區(qū)域的溫度變化信息，被完全淹沒在空間分辨率所對(duì)應(yīng)長度之內(nèi)的環(huán)境溫度噪聲中，因此很難識(shí)別光纖區(qū)域所產(chǎn)生的溫度變化特征，最終會(huì)導(dǎo)致相關(guān)事故的發(fā)生，喪失早發(fā)現(xiàn)、早治理的良機(jī)。所以，進(jìn)一步提升拉曼分布式光纖傳感技術(shù)的傳感空間分辨率，是領(lǐng)域內(nèi)迫切需要解決的重大難題。

作為激光器的一種特殊輸出方式，混沌激光具有寬頻譜、類噪聲、強(qiáng)度大幅振蕩等特性。當(dāng)以混沌激光作為傳感信號(hào)時(shí)，在提高長距離分布式光纖傳感技術(shù)的空間分辨率上，能夠帶來較大的優(yōu)勢。以此為啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)將混沌傳感信號(hào)與拉曼分布式光纖傳感技術(shù)加以結(jié)合，發(fā)展了這種新型拉曼分布式光纖溫度傳感技術(shù)。它基于寬頻混沌激光，有望解決領(lǐng)域之內(nèi)所面臨的難題。

圖片來源：Light: Science & Applications

除此之外，團(tuán)隊(duì)還曾開展過其它的新型分布式光纖傳感基礎(chǔ)理論與方法、關(guān)鍵技術(shù)與器件、工程儀器與應(yīng)用的全鏈條研究工作。

通過這一系列的研究，他們實(shí)現(xiàn)了長傳感距離、高空間分辨率的分布式應(yīng)變、溫度傳感，解決了交通隧道、能源輸送管網(wǎng)等重大設(shè)施的安全監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)警難題。

審核編輯：黃飛

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