拉曼分布式光纖傳感技術(shù)
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)展的一個重要標(biāo)志。分布式光纖傳感技術(shù)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(nèi)外研究和發(fā)展的重點，是國際競爭戰(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（FOSA）統(tǒng)計，2017年底全球分布式光纖傳感產(chǎn)業(yè)規(guī)模已覆蓋70多個國家、1300多個應(yīng)用項目，中國（11.3%）、德國（9.4%）、美國（6.5%）分列部署應(yīng)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(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，開發(fā)一套新型光學(xué)“人工神經(jīng)系統(tǒng)”，通過先進(jìn)的分布式光纖傳感技術(shù)，對人為活動、自然運(yùn)動等潛在的危險或損害行為進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，以可持續(xù)地利用自然資源和資產(chǎn)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(shù)、深?？仗扉_發(fā)、智慧交通強(qiáng)國、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，具有無可替代的戰(zhàn)略價值和巨大的科學(xué)研究價值。
拉曼分布式光纖傳感技術(shù)特點及應(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，已廣泛應(yīng)用于國家大型基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測領(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、能源輸送管道泄漏監(jiān)測、水利大壩滲漏監(jiān)測、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、智能電網(wǎng)安全監(jiān)測、大型煤礦設(shè)備溫度安全監(jiān)測等領(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
高測溫精度拉曼分布式光纖傳感技術(shù)
測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)的測溫精度，國內(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題用以提高系統(tǒng)的測溫精度。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(shù)方法，分別是：
散射信號算法去噪技術(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
該方案通過修正拉曼傳輸和解調(diào)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(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(shù)可以在厘米量級溫變區(qū)實現(xiàn)高精度探測?！綪hotonics 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度內(nèi)所有位置點溫度的平均值。當(dāng)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(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?！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(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
該方案將混沌信號代替?zhèn)鹘y(tǒng)脈沖光源作為傳感激光，結(jié)合相關(guān)探測方案優(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(diào)法
該方案通過壓縮光源脈寬進(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關(guān)超導(dǎo)納米單光子探測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(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)用過程中，由于其抗電磁干擾、遠(yuǎn)距離檢測等優(yōu)越的性能特點，被用廣泛應(yīng)用特殊的工業(yè)安全監(jiān)測領(lǐng)域，尤其是在惡劣環(huán)境和偏遠(yuǎn)地區(qū)。經(jīng)過近半個世紀(jì)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(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(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，實現(xiàn)各種物理量的協(xié)同測量，包括溫度、應(yīng)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(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、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(wǎng)絡(luò)。
在未來發(fā)展方面，將拉曼分布式光纖傳感技術(shù)與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息通信技術(shù)等知識密集型技術(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)的實用性和適應(yīng)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(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。
