摘要

來(lái)自太原理工大學(xué)的李健博士和張明江教授以“Physics and applications of Raman distributed optical fiber sensing”為題在 Light: Science & Applications 發(fā)表一篇綜述文章。

本綜述介紹了近年來(lái)拉曼分布式光纖傳感技術(shù)的研究進(jìn)展和典型應(yīng)用。作者的目標(biāo)是讓該領(lǐng)域和相關(guān)領(lǐng)域的讀者能充分了解這一重要技術(shù)，并提供了一個(gè)可行的研究進(jìn)程路線圖。

文章主要從分布式光纖傳感技術(shù)的重要性、拉曼分布式光纖傳感技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用、高測(cè)溫精度拉曼分布式光纖傳感技術(shù)和高空間分辨率拉曼分布式光纖傳感技術(shù)這四個(gè)方面進(jìn)行了綜述。

分布式光纖傳感技術(shù)的重要性

光纖傳感技術(shù)已成為當(dāng)今世界令人矚目、發(fā)展迅猛的高新技術(shù)之一，它與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。分布式光纖傳感技術(shù)因可實(shí)現(xiàn)光纖沿線任意位置多種物理量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，成為國(guó)內(nèi)外研究和發(fā)展的重點(diǎn)，是國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)戰(zhàn)略的重要標(biāo)志性產(chǎn)業(yè)技術(shù)。據(jù)光纖傳感協(xié)會(huì)（FOSA）統(tǒng)計(jì)，2017年底全球分布式光纖傳感產(chǎn)業(yè)規(guī)模已覆蓋70多個(gè)國(guó)家、1300多個(gè)應(yīng)用項(xiàng)目，中國(guó)（11.3%）、德國(guó)（9.4%）、美國(guó)（6.5%）分列部署應(yīng)用前三位。

歐盟地平線2020計(jì)劃（Horizon 2020）中明確指出了搭建一套世界領(lǐng)先的光纖神經(jīng)傳感系統(tǒng)（FINESSE），匯集歐洲頂尖的26所大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)、科技公司，開(kāi)發(fā)一套新型光學(xué)“人工神經(jīng)系統(tǒng)”，通過(guò)先進(jìn)的分布式光纖傳感技術(shù)，對(duì)人為活動(dòng)、自然運(yùn)動(dòng)等潛在的危險(xiǎn)或損害行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，以可持續(xù)地利用自然資源和資產(chǎn)助力實(shí)現(xiàn)安全和節(jié)能的歐洲。我國(guó)“十四五”時(shí)期，新一代信息技術(shù)、深?？仗扉_(kāi)發(fā)、智慧交通強(qiáng)國(guó)、智慧城市建設(shè)等前沿科技和產(chǎn)業(yè)變革領(lǐng)域?qū)⒈贿M(jìn)一步發(fā)展壯大，分布式光纖傳感技術(shù)作為核心傳感科技之一，具有無(wú)可替代的戰(zhàn)略價(jià)值和巨大的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。

拉曼分布式光纖傳感技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用

拉曼分布式光纖傳感技術(shù)憑借其抗電磁干擾、耐腐蝕、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于國(guó)家大型基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，如圖1所示。主要包括以下應(yīng)用領(lǐng)域，包括城市地下（綜合）管廊安全監(jiān)測(cè)、能源輸送管道泄漏監(jiān)測(cè)、水利大壩滲漏監(jiān)測(cè)、路面結(jié)冰或隧道火災(zāi)等交通基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測(cè)、智能電網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)、大型煤礦設(shè)備溫度安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

圖1. 拉曼分布式光纖傳感技術(shù)的典型應(yīng)用領(lǐng)域

高測(cè)溫精度拉曼分布式光纖傳感技術(shù)

測(cè)溫精度是拉曼分布式光纖傳感技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。為了提高系統(tǒng)的測(cè)溫精度，國(guó)內(nèi)外研究者主要提出以下技術(shù)方案：

（1）光纖衰減補(bǔ)償方案

該方案通過(guò)補(bǔ)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(wèn)題用以提高系統(tǒng)的測(cè)溫精度。該方案主要包括以下技術(shù)方法，分別是：

雙光源泵浦技術(shù)【Optics Letters 33(16), 1845-1847 (2008).】

基于光纖反射鏡的自校準(zhǔn)技術(shù)【Optics Express 18(10), 9747-9754 (2010).】

雙端環(huán)路解調(diào)技術(shù)【IEEE Photonics Technology Letters 23(19), 534-536 (2011).】

全光纖衰減定標(biāo)補(bǔ)償技術(shù)【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(shù)【Applied Optics 59(2), 300-305 (2020).】

（2）拉曼散射信號(hào)信噪比提高方案

該方案通過(guò)提升拉曼散射信號(hào)的信噪比來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)的測(cè)溫精度，主要包括以下技術(shù)方法，分別是：

散射信號(hào)算法去噪技術(shù) 【Nature Communications 7, 10870 (2016)、Photonic Sensors 8, 103-113 (2018).】

脈沖編碼技術(shù)【Nature Communications 11, 5774 (2020).】

瑞利光噪聲抑制技術(shù)【Applied Optics 59(1), 22-27 (2020).】

定標(biāo)光噪聲抑制技術(shù)【Sensors 20, 6922 (2020).】

（3）優(yōu)化拉曼傳輸和解調(diào)方程方案

該方案通過(guò)修正拉曼傳輸和解調(diào)方程，用以修正系統(tǒng)誤差來(lái)提高系統(tǒng)的測(cè)溫精度。該方案主要包括以下技術(shù)方法，分別是：

光纖模式色散補(bǔ)償方案【Chinese Optics Letters 17(7), 070602 (2019).】

APD溫敏補(bǔ)償方案【Applied Optics 58(1), 37-42 (2019).】

拉曼傳輸方程溫敏系數(shù)補(bǔ)償方案【Optics Express 27(25), 38163-38196 (2019).】

（4）斜率輔助解調(diào)技術(shù)

該方案通過(guò)拉曼散射信號(hào)在溫變區(qū)下降沿的斜率輔助系數(shù)用以計(jì)算光纖沿線的分布式光纖溫度變化信息。該技術(shù)可以在厘米量級(jí)溫變區(qū)實(shí)現(xiàn)高精度探測(cè)。【Photonics Research 10(1), 205-213 (2022).】

高空間分辨率拉曼分布式光纖傳感技術(shù)

空間分辨率是拉曼分布式光纖傳感技術(shù)的另一關(guān)鍵性能指標(biāo)。現(xiàn)有基于脈沖光時(shí)域反射原理的拉曼分布式光纖傳感技術(shù)，光纖沿線任意位置處解調(diào)的溫度信息為該位置空間分辨率長(zhǎng)度內(nèi)所有位置點(diǎn)溫度的平均值。當(dāng)待測(cè)光纖長(zhǎng)度小于系統(tǒng)傳感空間分辨率時(shí)，系統(tǒng)測(cè)量溫度會(huì)與實(shí)際環(huán)境溫度存在較大的測(cè)量誤差。為了提高系統(tǒng)的空間分辨率，國(guó)內(nèi)外研究者主要提出以下技術(shù)方案：

（1）基于單模光纖的脈沖調(diào)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(yīng)的前提下提高耦合至傳感光纖的光通量，進(jìn)而提高拉曼分布式光纖傳感技術(shù)的傳感距離。【Optics 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(jìn)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(guān)解調(diào)方案

該方案將混沌信號(hào)代替?zhèn)鹘y(tǒng)脈沖光源作為傳感激光，結(jié)合相關(guān)探測(cè)方案優(yōu)化系統(tǒng)空間分辨率。太原理工大學(xué)李健和張明江等人基于該方案仿真實(shí)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(shù)理論上所實(shí)現(xiàn)的最高空間分辨率。【Journal of Lightwave Technology 39(23), 7529-7538 (2021).】

（4）窄脈寬傳感解調(diào)法

該方案通過(guò)壓縮光源脈寬進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)傳感空間分辨率。瑞士西北應(yīng)用科學(xué)與藝術(shù)大學(xué)提出一種基于偏振無(wú)關(guān)超導(dǎo)納米單光子探測(cè)的拉曼分布式光纖傳感方案，該技術(shù)結(jié)合窄脈寬傳感探測(cè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)了10.0 cm的空間分辨率。這是目前實(shí)驗(yàn)上基于拉曼分布式光纖傳感技術(shù)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(shù)是一種新型的綜合傳感技術(shù)。在系統(tǒng)研發(fā)和應(yīng)用過(guò)程中，由于其抗電磁干擾、遠(yuǎn)距離檢測(cè)等優(yōu)越的性能特點(diǎn)，被用廣泛應(yīng)用特殊的工業(yè)安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，尤其是在惡劣環(huán)境和偏遠(yuǎn)地區(qū)。經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的研究和發(fā)展，傳感系統(tǒng)仍面臨若干理論和實(shí)踐問(wèn)題。為滿足更廣泛的實(shí)際應(yīng)用需求，基于傳感原理和當(dāng)前需求，拉曼分布式光纖傳感未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)包括以下幾個(gè)方面。

（1）多參量傳感與監(jiān)測(cè)

多數(shù)工程應(yīng)用領(lǐng)域迫切需要拉曼光纖分布式傳感器結(jié)合多種光纖傳感方案，實(shí)現(xiàn)各種物理量的協(xié)同測(cè)量，包括溫度、應(yīng)變、振動(dòng)等。

（2）優(yōu)化傳感距離

受限于拉曼后向散射信號(hào)相對(duì)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(yīng)距離大多維持在10.0~30.0 km。

（3）智能光纖網(wǎng)絡(luò)建立

面向智能光纖網(wǎng)絡(luò)的拉曼分布式光纖傳感儀應(yīng)具備：

? 狀態(tài)監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警等功能。

? 能夠應(yīng)用于多位置、多參數(shù)、多用途的測(cè)量場(chǎng)合。

? 能夠形成具有動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控的智能光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)。

在未來(lái)發(fā)展方面，將拉曼分布式光纖傳感技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息通信技術(shù)等知識(shí)密集型技術(shù)相結(jié)合，或者，將自適應(yīng)或深度學(xué)習(xí)算法應(yīng)用到系統(tǒng)中，自動(dòng)創(chuàng)建與應(yīng)用環(huán)境一致的模型，使系統(tǒng)更加智能，提高系統(tǒng)的實(shí)用性和適應(yīng)性。

綜上，本研究為諸多現(xiàn)階段所面臨的問(wèn)題，提供了有效的解決方案，使得拉曼分布式光纖傳感技術(shù)可以在更廣泛的領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮效能。本論文可以激勵(lì)研究人員充分挖掘拉曼分布式光纖傳感技術(shù)在光子學(xué)及其眾多應(yīng)用和交叉學(xué)科等方面的潛力，我們相信拉曼分布式光纖傳感技術(shù)將在下一代信息傳感技術(shù)中發(fā)揮更重要的作用。

作者簡(jiǎn)介

第一作者及通訊作者

李?。ǖ谝蛔髡撸?，博士畢業(yè)于太原理工大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)，英國(guó)諾森比亞大學(xué)訪問(wèn)學(xué)者，主要從事新型分布式光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用。攻讀博士研究生期間，獲中國(guó)電信天翼獎(jiǎng)學(xué)金、中國(guó)電信飛Yang獎(jiǎng)學(xué)金、“晉昌”博士創(chuàng)新獎(jiǎng)勵(lì)、牛憨笨院士光電獎(jiǎng)學(xué)金、首屆全國(guó)光學(xué)與光學(xué)工程博士生學(xué)術(shù)聯(lián)賽優(yōu)秀獎(jiǎng)，獲全國(guó)高?！鞍倜芯可h員標(biāo)兵”等榮譽(yù)稱號(hào)。作為技術(shù)負(fù)責(zé)人參與了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、山西省重點(diǎn)研發(fā)等項(xiàng)目，主持了山西省青年基金、山西省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新項(xiàng)目、企業(yè)技術(shù)服務(wù)項(xiàng)目3項(xiàng)，以第一作者在Light-Science & Applications、Photonics Res.、J. Lightwave Technol.、Opt. Express、Adv. Photonics Res.、IEEE Sens. J. 等期刊發(fā)表SCI論文13篇，第一和第二發(fā)明人授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利20項(xiàng)，公開(kāi)2項(xiàng)美國(guó)專利。

張明江（通訊作者），教授，博導(dǎo)，太原理工大學(xué)研究生院副院長(zhǎng)。博士畢業(yè)于天津大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)，加拿大渥太華大學(xué)訪問(wèn)學(xué)者，主要從事光子集成混沌激光器及分布式光纖傳感研究。獲全國(guó)百篇優(yōu)博論文提名獎(jiǎng)，入選首批青年三晉學(xué)者、山西省學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人、山西省高校中青年拔尖創(chuàng)新人才。兼任中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)光學(xué)教育專業(yè)委員會(huì)常務(wù)委員、山西省光學(xué)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》編委、武漢光迅科技股份有限公司國(guó)家認(rèn)定企業(yè)技術(shù)中心外部專家等職。先后主持國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等國(guó)家、省部級(jí)項(xiàng)目以及橫向課題10多項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文120多篇，以第一發(fā)明人授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利36項(xiàng)、美國(guó)專利2項(xiàng)，軟件著作權(quán)12項(xiàng)。第一完成人獲山西省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、山西省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)1項(xiàng)。

| 論文信息 |

Li, J., Zhang, M. Physics and applications of Raman distributed optical fiber sensing. Light Sci Appl 11, 128 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00811-x

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