日前，太原理工大学青年教师李健和张明江教授所在团队提出一种新型拉曼分布式光纤温度传感技术，该技术可以提高拉曼分布式温度传感器的传感空间分辨率，并能在千米级的传感距离上实现厘米级的空间分辨率，也是目前全球范围内基于拉曼分布式光纤传感技术的长距离传感成果中，所能实现的最佳空间分辨率。

作为一款高效的测量监测工具，分布式光纤温度传感技术在军事武器装备、深海深地、极地科考、大型水利工程、智能电网等诸多领域有者重要应用价值。例如，高空间分辨率的分布式光纤传感技术，可以为地球深部探测、深海深地资源勘探、以及深海信息感知提供高效的研究工具。同时，该类技术还能为智慧电网电缆状态监测、故障与灾变研究提供绝佳的测试手段。

提出新原理及新方案扩展光纤传感应用

据介绍，光纤传感技术、通信技术、计算机技术共同构成全球信息产业的三大支柱。同时，它们也是当代科学技术发展的重要标志之一。而分布式光纤传感仪是一种重要的新型科研工具。与传统的电子传感器相比，光纤传感器具有质量轻、体积小、耐腐蚀、安全度高、灵敏度高、可嵌入电绝缘、抗电磁干扰等特点，已成为传感器产业的源头组成部分和核心组成部分。

拉曼分布式光纤传感系统是一种典型的光纤传感器，其工作原理是基于脉冲激光在光纤中激发的自发拉曼散射来检测光纤沿线的温度变化信息。它具有测量速度快、结构简单、温度灵敏度高等优点，已被广泛应用于国家大型基础设施的温度安全监控领域。

拉曼分布式光纤传感技术可以实现数十公里光纤沿线任意点的温度分布式测量。然而，由于光时域反射定位原理限制，其系统解调的温度数据是空间分辨率尺度范围内所对应光纤长度的温度数据平均值。因此，当待测光纤温度变化区域小于系统空间分辨率时，其温度检测结果远小于真实温度（当实际待测光纤温度大于环境温度时），严重限制了拉曼分布式光纤传感系统应用。

针对上述问题，张明江教授团队提出了一种斜率辅助拉曼分布式光纤传感的新原理及新方案。该方案通过斜率辅助方程解调待测光纤沿线的分布式温度变化信息。实验表明，基于所提出的斜率辅助解调传感方案，即使系统空间分辨率为米量级，该方案也能在厘米级温变空间尺度下实现温度精准测量。研究成果以“Slope-assisted Raman distributed optical fiber sensing”为题发表在光学期刊Photonics Research中，第一作者为李健博士，通讯作者为张明江教授。

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最佳空间分辨率被限制在1米

对于空间分辨率来说，它可以表征分布式光纤传感技术所能分辨的最小光纤长度。就基于拉曼分布式光纤传感技术的高精度探测而言，这一指标至关重要。当待测光纤长度小于系统传感空间分辨率之时，系统测量温度会与实际环境温度存在较大的测量误差。为解决上述问题，学界曾提出以下几种技术方案：基于单模光纤的脉冲编码调制法、窄脉宽传感解调法、以及特种光纤传感法等方案。

但是，对于传感距离大于 10km 的长距离拉曼分布式光纤传感技术来说，受限于光源脉宽和光时域反射定位原理，导致其长距离传感下的最佳空间分辨率被限制在1米。

探测区域所能影响到的光纤长度，往往小于传感空间分辨率。这导致探测区域的温度变化信息，被完全淹没在空间分辨率所对应长度之内的环境温度噪声中，因此很难识别光纤区域所产生的温度变化特征，最终会导致相关事故的发生，丧失早发现、早治理的良机。

要知道，灾害事故往往是由微小温度变化逐步扩大而引起，一旦不加以防范就很有可能引发监测结构的重大灾害事故。所以，进一步提升拉曼分布式光纤传感技术的传感空间分辨率，是领域内迫切需要解决的重大难题。作为激光器的一种特殊输出方式，混沌激光具有宽频谱、类噪声、强度大幅振荡等特性。当以混沌激光作为传感信号时，在提高长距离分布式光纤传感技术的空间分辨率上，能够带来较大的优势。

以此为启发，该团队将混沌传感信号与拉曼分布式光纤传感技术加以结合，发展了这种新型拉曼分布式光纤温度传感技术。它基于宽频混沌激光，有望解决领域之内所面临的难题。

两代研究生多年努力，硕果累累

从定课题到发论文，本次成果经历了两代研究生长达 6 年的努力。李健表示：“对于一年级博士生新生入学之后第一个学期，我提出的要求是，必须粗读近十年领域内国内所有的硕博士论文，只有了解目前国内本领域的全部研究进展，才可以精准定位自己的位置。”

而只有精读领域内或交叉领域的高水平文献，才能从中寻找灵感并制定方案。他说道：“这个阶段要多注意思考，也要随机记录，把自己稍纵即逝的科研灵感记录下来。此外，我的科研灵感百分之八十来自于凌晨两点以后的头脑风暴。”随后，便可以制定实验计划，实验计划越详细，实验结果越理想。其表示：“我认为前期思考实验的时间、结合实验后处理数据与思考的时间，要至少 3 倍长于做实验的时间，这样才会更加理解实验方案。”

2022年6月19日，中国光学工程学会推出《首届“金燧奖”中国光电仪器品牌榜》评选活动，旨在推动关键核心技术攻关，突破“卡脖子”技术，加强科技核心竞争力，历时4个月，共吸引了223家单位的相关仪器参加申报。近70位专家经过形式审查、交叉评审，于12月3日召开了《2022年首届“金燧奖”中国光电仪器品牌榜终评会》，最终遴选出金奖、银奖、铜奖、优秀奖共73个项目。其中，张明江教授团队申报的“混沌分布式应变温度传感仪”斩获铜奖。

张明江教授团队获奖的“混沌分布式应变温度传感仪”以混沌激光相干法分布式光纤传感为技术基础、自主研制的光子集成混沌半导体激光器为核心光源，原理上解决了传统分布式光纤传感方案中的瓶颈问题，可实现长距离、高空间分辨率的分布式温度、应变双参量测量，总体技术水平达到国际领先，已成功应用于大型交通基础设施结构健康监测、能源开发与运营体系安全监测。

目前，课题组累计授权中国发明专利 100 余项、美国专利 3 项，研究成果曾获山西省技术发明一等奖、山西省自然科学二等奖、中国光学工程学会技术发明奖二等奖、中国专利优秀奖等科研奖励。

文章来源： DeepTech深科技，太原理工大学，物理学院