摘要

來自太原理工大學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 發表一篇綜述文章。

本綜述介紹了近年來拉曼分布式光纖傳感技術的研究進展和典型應用。作者的目標是讓該領域和相關領域的讀者能充分了解這一重要技術，并提供了一個可行的研究進程路線圖。

文章主要從分布式光纖傳感技術的重要性、拉曼分布式光纖傳感技術特點與應用、高測溫精度拉曼分布式光纖傳感技術和高空間分辨率拉曼分布式光纖傳感技術這四個方面進行了綜述。

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的三大支柱，是當代科學技術發展的一個重要標志。分布式光纖傳感技術因可實現光纖沿線任意位置多種物理量的實時監測，成為國內外研究和發展的重點，是國際競爭戰略的重要標志性產業技術。據光纖傳感協會（FOSA）統計，2017年底全球分布式光纖傳感產業規模已覆蓋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（FINESSE），匯集歐洲頂尖的26所大學、科研機構、科技公司，開發一套新型光學“人工神經系統”，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測預警，以可持續地利用自然資源和資產助力實現安全和節能的歐洲。我國“十四五”時期，新一代信息技術、深海空天開發、智慧交通強國、智慧城市建設等前沿科技和產業變革領域將被進一步發展壯大，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）管廊安全監測、能源輸送管道泄漏監測、水利大壩滲漏監測、路面結冰或隧道火災等交通基礎設施安全監測、智能電網安全監測、大型煤礦設備溫度安全監測等領域。

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化系統的測溫精度，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，用以修正系統誤差來提高系統的測溫精度。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下降沿的斜率輔助系數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實現高精度探測。【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。現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傳感空間分辨率時，系統測量溫度會與實際環境溫度存在較大的測量誤差。為了提高系統的空間分辨率，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。【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，進而優化系統傳感空間分辨率。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傳統脈沖光源作為傳感激光，結合相關探測方案優化系統空間分辨率。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）窄脈寬傳感解調法

該方案通過壓縮光源脈寬進一步優化系統傳感空間分辨率。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空間分辨率。【Opt. Express 30(5), 6768-6777 (2022).】

前景與挑戰

拉曼分布式光纖傳感技術是一種新型的綜合傳感技術。在系統研發和應用過程中，由于其抗電磁干擾、遠距離檢測等優越的性能特點，被用廣泛應用特殊的工業安全監測領域，尤其是在惡劣環境和偏遠地區。經過近半個世紀的研究和發展，傳感系統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展的主要趨勢包括以下幾個方面。

（1）多參量傳感與監測

多數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，實現各種物理量的協同測量，包括溫度、應變、振動等。

（2）優化傳感距離

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：

? 狀態監測、災害預警等功能。

? 能夠應用于多位置、多參數、多用途的測量場合。

? 能夠形成具有動態實時監控的智能光纖傳感器網絡。

在未來發展方面，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中，自動創建與應用環境一致的模型，使系統更加智能，提高系統的實用性和適應性。

綜上，本研究為諸多現階段所面臨的問題，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揮更重要的作用。

作者簡介

第一作者及通訊作者

李健（第一作者），博士畢業于太原理工大學光學工程專業，英國諾森比亞大學訪問學者，主要從事新型分布式光纖傳感技術與應用。攻讀博士研究生期間，獲中國電信天翼獎學金、中國電信飛Yang獎學金、“晉昌”博士創新獎勵、牛憨笨院士光電獎學金、首屆全國光學與光學工程博士生學術聯賽優秀獎，獲全國高校“百名研究生黨員標兵”等榮譽稱號。作為技術負責人參與了國家自然科學基金面上項目、山西省重點研發等項目，主持了山西省青年基金、山西省高等學校科技創新項目、企業技術服務項目3項，以第一作者在Light-Science & Applications、Photonics Res.、J. Lightwave Technol.、Opt. Express、Adv. Photonics Res.、IEEE Sens. J. 等期刊發表SCI論文13篇，第一和第二發明人授權國家發明專利20項，公開2項美國專利。

張明江（通訊作者），教授，博導，太原理工大學研究生院副院長。博士畢業于天津大學光學工程專業，加拿大渥太華大學訪問學者，主要從事光子集成混沌激光器及分布式光纖傳感研究。獲全國百篇優博論文提名獎，入選首批青年三晉學者、山西省學術技術帶頭人、山西省高校中青年拔尖創新人才。兼任中國光學學會光學教育專業委員會常務委員、山西省光學學會副理事長、《激光與光電子學進展》編委、武漢光迅科技股份有限公司國家認定企業技術中心外部專家等職。先后主持國家重大科研儀器研制項目、國家自然科學基金面上項目等國家、省部級項目以及橫向課題10多項。發表學術論文120多篇，以第一發明人授權中國發明專利36項、美國專利2項，軟件著作權12項。第一完成人獲山西省技術發明一等獎1項、山西省自然科學二等獎1項、中國專利優秀獎1項。

| 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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