Light | 精密测量--混沌拉曼分布式光纤传感

▍本文由课题组撰稿

▍导读

近日，来自太原理工大学的李健博士和张明江教授团队以“Chaos Raman distributed optical fiber sensing”为题在Light: Science & Applications发表文章。

该文章分析了拉曼分布式光纤传感系统空间分辨率受限的物理瓶颈，总结了近十几年来国内外研究人员相应的解决方案，并提出了一种基于混沌拉曼分布式光纤传感的新方法，打破了传统方案传感空间分辨率受限于光源脉宽的瓶颈，该方案的传感空间分辨率相比传统方案提高了约50倍，为高空间分辨率精密物理场测量提供了新的研究思路。

没有测量就没有科学。物理和测量密不可分。精密测量以更高的精度检验现有物理学的范围，并试图找出现有物理理论框架的极限，从而发现新的物理规律。众所周知，将测量精度提高一个数量级往往会导致新的物理现象发现。

拉曼分布式光纤传感技术主要是基于光纤中的拉曼散射效应以及光时域反射技术，来实现光纤沿线的全分布式传感。空间分辨率作为系统实现精密测量的一个及其重要指标，反映了传感系统在测量温度场时能够分辨的最小光纤长度。现有千米级拉曼分布式光纤传感方案的空间分辨率被限制在米量级，而一些特殊应用领域要求传感器实现分米级甚至厘米级的高空间分辨率。因此，为解决上述问题，太原理工大学的李健博士和张明江教授团队提出了混沌拉曼分布式光纤传感技术，实现了拉曼分布式光纤传感领域的精密测量。

该团队提出了一种基于混沌差分重构结合混沌二阶微分偏导相关的混沌拉曼分布式光纤传感新方案。该方案以混沌激光信号作为传感信号取代了传统脉冲激光信号，提出了混沌激光相关法拉曼分布式光纤传感新方法。该方案利用混沌激光的自相关特性和宽带特性有效解决了传统拉曼分布式光纤传感技术中光源脉宽限制所带来的长传感距离与高空间分辨率无法兼顾的瓶颈问题，消除了传统方案光源脉宽对系统传感空间分辨率的物理限制。此外，通过混沌二阶微分偏导相关方案，对拉曼弱传感信号进行了强度增强，解决了传统方案中传感信号信噪比与系统空间分辨率无法兼顾的技术瓶颈。

论文从理论和实验角度分别探究了混沌脉冲宽度、频谱形状、混沌带宽，混沌脉冲子脉冲数、幅值概率分布、入纤功率及混沌时延特征对混沌拉曼分布式光纤传感系统传感距离及空间分辨率的影响。实验在千米级传感距离下，将传统米量级的传感空间分辨率提升至10 厘米。本文提出的混沌拉曼分布式光纤传感技术优化了传统拉曼分布式光纤传感器的空间分辨率性能，扩展了拉曼分布式光纤传感器的应用场景，在一些需要高空间分辨率的精密测量领域具有极大的应用潜力，为光混沌和光纤传感提供了新的研究方向。

图1：高空间分辨率混沌拉曼分布式光纤传感物理原理及实验结果

▍作者简介

李健，博士毕业于太原理工大学光学工程专业，英国诺森比亚大学访问学者，主要从事新型分布式光纤传感技术与应用。将拉曼分布式光纤传感系统的空间分辨率提升至厘米量级，解决了拉曼光纤传感领域关键技术难题，研究成果被全球工程领域国际著名科技机构Advances in Engineering认定为全球最新突破性科技进展。获中国仪器仪表学会金国藩青年学子奖、中国光学工程学会技术发明二等奖、中国光学学会郭光灿光学优秀博士学位论文提名奖、全国高校“百名研究生”党员标兵、中国光学工程学会首届“金燧奖”中国光电仪器品牌榜铜奖、全国光学与光学工程博士生学术联赛优秀奖等奖励。主持国家自然科学基金青年基金、山西省成果转化引导专项、华为公司横向课题等项目6项，以第一作者和通讯作者在Light: Science & Applications、Photonics Research、APL Photonics等期刊发表SCI论文13篇，包括TOP论文6篇，第一发明人授权国家发明专利10项，公开2项美国专利。《中国研究生》期刊评价为“为国筑器的科研追光者”。

张明江，太原理工大学“求实学者”、教授，博导。博士毕业于天津大学光学工程专业，加拿大渥太华大学访问学者，主要从事光子集成混沌激光器及分布式光纤传感研究。获全国百篇优博论文提名奖，入选“三晋学者”特聘教授支持计划、山西省学术技术带头人等人才计划。兼任中国光学学会光学教育专业委员会常务委员、山西省光学学会副理事长、《激光与光电子学进展》期刊编委等职。先后主持国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金面上项目、国防科技创新特区项目等国家、省部级项目和企业委托项目20多项。发表学术论文120多篇，以第一发明人授权中国发明专利42项、美国专利2项，软件著作权12项。第一完成人获山西省技术发明一等奖、山西省自然科学二等奖、中国专利优秀奖、中国光学工程学会“金燧奖”中国光电仪器品牌榜铜奖。

▍论文信息

Wang, C., Li, J., Zhou, X. et al. Chaos Raman distributed optical fiber sensing. Light Sci Appl 12, 213 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01267-3

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