拉曼分布式光纖傳感技術
分布式光纖傳感技術的重要性
光纖傳感技術已成為當今世界令人矚目、發(fā)展迅猛的高新技術之一，它與通信技術、計算機技術構成信息產業(yè)的三大支柱，是當代科學技術發(fā)展的一個重要標志。分布式光纖傳感技術因可實現(xiàn)光纖沿線任意位置多種物理量的實時監(jiān)測，成為國內外研究和發(fā)展的重點，是國際競爭戰(zhàn)略的重要標志性產業(yè)技術。據光纖傳感協(xié)會（FOSA）統(tǒng)計，2017年底全球分布式光纖傳感產業(yè)規(guī)模已覆蓋70多個國家、1300多個應用項目，中國（11.3%）、德國（9.4%）、美國（6.5%）分列部署應用前三位。
歐盟地平線2020計劃（Horizon 2020）中明確指出了搭建一套世界領先的光纖神經傳感系統(tǒng)（FINESSE），匯集歐洲頂尖的26所大學、科研機構、科技公司，開發(fā)一套新型光學“人工神經系統(tǒng)”，通過先進的分布式光纖傳感技術，對人為活動、自然運動等潛在的危險或損害行為進行監(jiān)測預警，以可持續(xù)地利用自然資源和資產助力實現(xiàn)安全和節(jié)能的歐洲。我國“十四五”時期，新一代信息技術、深海空天開發(fā)、智慧交通強國、智慧城市建設等前沿科技和產業(yè)變革領域將被進一步發(fā)展壯大，分布式光纖傳感技術作為核心傳感科技之一，具有無可替代的戰(zhàn)略價值和巨大的科學研究價值。
拉曼分布式光纖傳感技術特點及應用
拉曼分布式光纖傳感技術憑借其抗電磁干擾、耐腐蝕、環(huán)境適應性強等特點，已廣泛應用于國家大型基礎設施安全監(jiān)測領域，如圖1所示。主要包括以下應用領域，包括城市地下（綜合）管廊安全監(jiān)測、能源輸送管道泄漏監(jiān)測、水利大壩滲漏監(jiān)測、路面結冰或隧道火災等交通基礎設施安全監(jiān)測、智能電網安全監(jiān)測、大型煤礦設備溫度安全監(jiān)測等領域。
圖1. 拉曼分布式光纖傳感技術的典型應用領域
高測溫精度拉曼分布式光纖傳感技術
測溫精度是拉曼分布式光纖傳感技術的關鍵性能指標。為了提高系統(tǒng)的測溫精度，國內外研究者主要提出以下技術方案：
（1）光纖衰減補償方案
該方案通過補償拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光的光衰減差異，或修正光纖沿線衰減隨距離變化的問題用以提高系統(tǒng)的測溫精度。該方案主要包括以下技術方法，分別是：
雙光源泵浦技術【Optics Letters 33(16), 1845-1847 (2008).】
基于光纖反射鏡的自校準技術【Optics Express 18(10), 9747-9754 (2010).】
雙端環(huán)路解調技術【IEEE Photonics Technology Letters 23(19), 534-536 (2011).】
全光纖衰減定標補償技術【IEEE Sensors Journal 19(10), 3711-3717 (2019)、IEEE Transactions on Nuclear Science 67(1), 305-311 (2020).】
差分衰減擬合技術【Applied Optics 59(2), 300-305 (2020).】
（2）拉曼散射信號信噪比提高方案
該方案通過提升拉曼散射信號的信噪比來優(yōu)化系統(tǒng)的測溫精度，主要包括以下技術方法，分別是：
散射信號算法去噪技術 【Nature Communications 7, 10870 (2016)、Photonic Sensors 8, 103-113 (2018).】
脈沖編碼技術【Nature Communications 11, 5774 (2020).】
瑞利光噪聲抑制技術【Applied Optics 59(1), 22-27 (2020).】
定標光噪聲抑制技術【Sensors 20, 6922 (2020).】
（3）優(yōu)化拉曼傳輸和解調方程方案
該方案通過修正拉曼傳輸和解調方程，用以修正系統(tǒng)誤差來提高系統(tǒng)的測溫精度。該方案主要包括以下技術方法，分別是：
光纖模式色散補償方案【Chinese Optics Letters 17(7), 070602 (2019).】
APD溫敏補償方案【Applied Optics 58(1), 37-42 (2019).】
拉曼傳輸方程溫敏系數(shù)補償方案【Optics Express 27(25), 38163-38196 (2019).】
（4）斜率輔助解調技術
該方案通過拉曼散射信號在溫變區(qū)下降沿的斜率輔助系數(shù)用以計算光纖沿線的分布式光纖溫度變化信息。該技術可以在厘米量級溫變區(qū)實現(xiàn)高精度探測。【Photonics Research 10(1), 205-213 (2022).】
高空間分辨率拉曼分布式光纖傳感技術
空間分辨率是拉曼分布式光纖傳感技術的另一關鍵性能指標?，F(xiàn)有基于脈沖光時域反射原理的拉曼分布式光纖傳感技術，光纖沿線任意位置處解調的溫度信息為該位置空間分辨率長度內所有位置點溫度的平均值。當待測光纖長度小于系統(tǒng)傳感空間分辨率時，系統(tǒng)測量溫度會與實際環(huán)境溫度存在較大的測量誤差。為了提高系統(tǒng)的空間分辨率，國內外研究者主要提出以下技術方案：
（1）基于單模光纖的脈沖調制方案
相較于傳統(tǒng)多模光纖傳感方案，單模光纖色散較小，其傳感空間分辨率不隨傳感距離增加而逐漸惡化。此外，該方案可以在抑制光纖受激拉曼非線性效應的前提下提高耦合至傳感光纖的光通量，進而提高拉曼分布式光纖傳感技術的傳感距離?！綩ptics Letters 36(13), 2557-2559 (2011)】
（2）特種光纖傳感方案
該方案基于特種光纖抑制光纖模式色散，進而優(yōu)化系統(tǒng)傳感空間分辨率。特種光纖主要包括：
? 少模光纖 【Optics Express 25(5), 4907-4916 (2017)、Optics Express 26,(16) 20562-20571 (2018).】
? 低水峰光纖 【Sensors 22, 2139 (2022).】
（3）混沌壓縮相關解調方案
該方案將混沌信號代替?zhèn)鹘y(tǒng)脈沖光源作為傳感激光，結合相關探測方案優(yōu)化系統(tǒng)空間分辨率。太原理工大學李健和張明江等人基于該方案仿真實現(xiàn)了5 mm的空間分辨率，這是目前基于拉曼分布式光纖傳感技術理論上所實現(xiàn)的最高空間分辨率?！綣ournal of Lightwave Technology 39(23), 7529-7538 (2021).】
（4）窄脈寬傳感解調法
該方案通過壓縮光源脈寬進一步優(yōu)化系統(tǒng)傳感空間分辨率。瑞士西北應用科學與藝術大學提出一種基于偏振無關超導納米單光子探測的拉曼分布式光纖傳感方案，該技術結合窄脈寬傳感探測信號實現(xiàn)了10.0 cm的空間分辨率。這是目前實驗上基于拉曼分布式光纖傳感技術的最優(yōu)空間分辨率。【Opt. Express 30(5), 6768-6777 (2022).】
前景與挑戰(zhàn)
拉曼分布式光纖傳感技術是一種新型的綜合傳感技術。在系統(tǒng)研發(fā)和應用過程中，由于其抗電磁干擾、遠距離檢測等優(yōu)越的性能特點，被用廣泛應用特殊的工業(yè)安全監(jiān)測領域，尤其是在惡劣環(huán)境和偏遠地區(qū)。經過近半個世紀的研究和發(fā)展，傳感系統(tǒng)仍面臨若干理論和實踐問題。為滿足更廣泛的實際應用需求，基于傳感原理和當前需求，拉曼分布式光纖傳感未來發(fā)展的主要趨勢包括以下幾個方面。
（1）多參量傳感與監(jiān)測
多數(shù)工程應用領域迫切需要拉曼光纖分布式傳感器結合多種光纖傳感方案，實現(xiàn)各種物理量的協(xié)同測量，包括溫度、應變、振動等。
（2）優(yōu)化傳感距離
受限于拉曼后向散射信號相對較弱的信噪比，目前商用拉曼分布式光纖傳感器的有效感應距離大多維持在10.0~30.0 km。
（3）智能光纖網絡建立
面向智能光纖網絡的拉曼分布式光纖傳感儀應具備：
? 狀態(tài)監(jiān)測、災害預警等功能。
? 能夠應用于多位置、多參數(shù)、多用途的測量場合。
? 能夠形成具有動態(tài)實時監(jiān)控的智能光纖傳感器網絡。
在未來發(fā)展方面，將拉曼分布式光纖傳感技術與計算機網絡技術、信息通信技術等知識密集型技術相結合，或者，將自適應或深度學習算法應用到系統(tǒng)中，自動創(chuàng)建與應用環(huán)境一致的模型，使系統(tǒng)更加智能，提高系統(tǒng)的實用性和適應性。
綜上，本研究為諸多現(xiàn)階段所面臨的問題，提供了有效的解決方案，使得拉曼分布式光纖傳感技術可以在更廣泛的領域內發(fā)揮效能。本論文可以激勵研究人員充分挖掘拉曼分布式光纖傳感技術在光子學及其眾多應用和交叉學科等方面的潛力，我們相信拉曼分布式光纖傳感技術將在下一代信息傳感技術中發(fā)揮更重要的作用。
