拉曼分布式光纤传感技术

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

摘要
来自太原理工大学的李健博士和张明江教授以“Physics and applications of Raman distributed optical fiber sensing”为题在 Light: Science & Applications 发表一篇综述文章。
本综述介绍了近年来拉曼分布式光纤传感技术的研究进展和典型应用。作者的目标是让该领域和相关领域的读者能充分了解这一重要技术，并提供了一个可行的研究进程路线图。
文章主要从分布式光纤传感技术的重要性、拉曼分布式光纤传感技术特点与应用、高测温精度拉曼分布式光纤传感技术和高空间分辨率拉曼分布式光纤传感技术这四个方面进行了综述。
分布式光纤传感技术的重要性
光纤传感技术已成为当今世界令人瞩目、发展迅猛的高新技术之一，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱，是当代科学技术发展的一个重要标志。分布式光纤传感技术因可实现光纤沿线任意位置多种物理量的实时监测，成为国内外研究和发展的重点，是国际竞争战略的重要标志性产业技术。据光纤传感协会（FOSA）统计，2017年底全球分布式光纤传感产业规模已覆盖70多个国家、1300多个应用项目，中国（11.3%）、德国（9.4%）、美国（6.5%）分列部署应用前三位。
欧盟地平线2020计划（Horizon 2020）中明确指出了搭建一套世界领先的光纤神经传感系统（FINESSE），汇集欧洲顶尖的26所大学、科研机构、科技公司，开发一套新型光学“人工神经系统”，通过先进的分布式光纤传感技术，对人为活动、自然运动等潜在的危险或损害行为进行监测预警，以可持续地利用自然资源和资产助力实现安全和节能的欧洲。我国“十四五”时期，新一代信息技术、深海空天开发、智慧交通强国、智慧城市建设等前沿科技和产业变革领域将被进一步发展壮大，分布式光纤传感技术作为核心传感科技之一，具有无可替代的战略价值和巨大的科学研究价值。
拉曼分布式光纤传感技术特点及应用
拉曼分布式光纤传感技术凭借其抗电磁干扰、耐腐蚀、环境适应性强等特点，已广泛应用于国家大型基础设施安全监测领域，如图1所示。主要包括以下应用领域，包括城市地下（综合）管廊安全监测、能源输送管道泄漏监测、水利大坝渗漏监测、路面结冰或隧道火灾等交通基础设施安全监测、智能电网安全监测、大型煤矿设备温度安全监测等领域。

图1. 拉曼分布式光纤传感技术的典型应用领域

高测温精度拉曼分布式光纤传感技术
测温精度是拉曼分布式光纤传感技术的关键性能指标。为了提高系统的测温精度，国内外研究者主要提出以下技术方案：
（1）光纤衰减补偿方案
该方案通过补偿拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光的光衰减差异，或修正光纤沿线衰减随距离变化的问题用以提高系统的测温精度。该方案主要包括以下技术方法，分别是：
双光源泵浦技术【Optics Letters 33(16), 1845-1847 (2008).】
基于光纤反射镜的自校准技术【Optics Express 18(10), 9747-9754 (2010).】
双端环路解调技术【IEEE Photonics Technology Letters 23(19), 534-536 (2011).】
全光纤衰减定标补偿技术【IEEE Sensors Journal 19(10), 3711-3717 (2019)、IEEE Transactions on Nuclear Science 67(1), 305-311 (2020).】
差分衰减拟合技术【Applied Optics 59(2), 300-305 (2020).】
（2）拉曼散射信号信噪比提高方案
该方案通过提升拉曼散射信号的信噪比来优化系统的测温精度，主要包括以下技术方法，分别是：
散射信号算法去噪技术【Nature Communications 7, 10870 (2016)、Photonic Sensors 8, 103-113 (2018).】
脉冲编码技术【Nature Communications 11, 5774 (2020).】
瑞利光噪声抑制技术【Applied Optics 59(1), 22-27 (2020).】
定标光噪声抑制技术【Sensors 20, 6922 (2020).】
（3）优化拉曼传输和解调方程方案
该方案通过修正拉曼传输和解调方程，用以修正系统误差来提高系统的测温精度。该方案主要包括以下技术方法，分别是：
光纤模式色散补偿方案【Chinese Optics Letters 17(7), 070602 (2019).】
APD温敏补偿方案【Applied Optics 58(1), 37-42 (2019).】
拉曼传输方程温敏系数补偿方案【Optics Express 27(25), 38163-38196 (2019).】
（4）斜率辅助解调技术
该方案通过拉曼散射信号在温变区下降沿的斜率辅助系数用以计算光纤沿线的分布式光纤温度变化信息。该技术可以在厘米量级温变区实现高精度探测。【Photonics Research 10(1), 205-213 (2022).】
高空间分辨率拉曼分布式光纤传感技术
空间分辨率是拉曼分布式光纤传感技术的另一关键性能指标。现有基于脉冲光时域反射原理的拉曼分布式光纤传感技术，光纤沿线任意位置处解调的温度信息为该位置空间分辨率长度内所有位置点温度的平均值。当待测光纤长度小于系统传感空间分辨率时，系统测量温度会与实际环境温度存在较大的测量误差。为了提高系统的空间分辨率，国内外研究者主要提出以下技术方案：
（1）基于单模光纤的脉冲调制方案
相较于传统多模光纤传感方案，单模光纤色散较小，其传感空间分辨率不随传感距离增加而逐渐恶化。此外，该方案可以在抑制光纤受激拉曼非线性效应的前提下提高耦合至传感光纤的光通量，进而提高拉曼分布式光纤传感技术的传感距离。【Optics Letters 36(13), 2557-2559 (2011)】
（2）特种光纤传感方案
该方案基于特种光纤抑制光纤模式色散，进而优化系统传感空间分辨率。特种光纤主要包括：
• 少模光纤【Optics Express 25(5), 4907-4916 (2017)、Optics Express 26,(16) 20562-20571 (2018).】
• 低水峰光纤【Sensors 22, 2139 (2022).】
（3）混沌压缩相关解调方案
该方案将混沌信号代替传统脉冲光源作为传感激光，结合相关探测方案优化系统空间分辨率。太原理工大学李健和张明江等人基于该方案仿真实现了5 mm的空间分辨率，这是目前基于拉曼分布式光纤传感技术理论上所实现的最高空间分辨率。【Journal of Lightwave Technology 39(23), 7529-7538 (2021).】
（4）窄脉宽传感解调法
该方案通过压缩光源脉宽进一步优化系统传感空间分辨率。瑞士西北应用科学与艺术大学提出一种基于偏振无关超导纳米单光子探测的拉曼分布式光纤传感方案，该技术结合窄脉宽传感探测信号实现了10.0 cm的空间分辨率。这是目前实验上基于拉曼分布式光纤传感技术的最优空间分辨率。【Opt. Express 30(5), 6768-6777 (2022).】
前景与挑战
拉曼分布式光纤传感技术是一种新型的综合传感技术。在系统研发和应用过程中，由于其抗电磁干扰、远距离检测等优越的性能特点，被用广泛应用特殊的工业安全监测领域，尤其是在恶劣环境和偏远地区。经过近半个世纪的研究和发展，传感系统仍面临若干理论和实践问题。为满足更广泛的实际应用需求，基于传感原理和当前需求，拉曼分布式光纤传感未来发展的主要趋势包括以下几个方面。
（1）多参量传感与监测
多数工程应用领域迫切需要拉曼光纤分布式传感器结合多种光纤传感方案，实现各种物理量的协同测量，包括温度、应变、振动等。
（2）优化传感距离
受限于拉曼后向散射信号相对较弱的信噪比，目前商用拉曼分布式光纤传感器的有效感应距离大多维持在10.0~30.0 km。
（3）智能光纤网络建立
面向智能光纤网络的拉曼分布式光纤传感仪应具备：
• 状态监测、灾害预警等功能。
• 能够应用于多位置、多参数、多用途的测量场合。
• 能够形成具有动态实时监控的智能光纤传感器网络。
在未来发展方面，将拉曼分布式光纤传感技术与计算机网络技术、信息通信技术等知识密集型技术相结合，或者，将自适应或深度学习算法应用到系统中，自动创建与应用环境一致的模型，使系统更加智能，提高系统的实用性和适应性。
综上，本研究为诸多现阶段所面临的问题，提供了有效的解决方案，使得拉曼分布式光纤传感技术可以在更广泛的领域内发挥效能。本论文可以激励研究人员充分挖掘拉曼分布式光纤传感技术在光子学及其众多应用和交叉学科等方面的潜力，我们相信拉曼分布式光纤传感技术将在下一代信息传感技术中发挥更重要的作用。
作者简介
第一作者及通讯作者

李健（第一作者），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。攻读博士研究生期间，获中国电信天翼奖学金、中国电信飞Yang奖学金、“晋昌”博士创新奖励、牛憨笨院士光电奖学金、首届全国光学与光学工程博士生学术联赛优秀奖，获全国高校“百名研究生党员标兵”等荣誉称号。作为技术负责人参与了国家自然科学基金面上项目、山西省重点研发等项目，主持了山西省青年基金、山西省高等学校科技创新项目、企业技术服务项目3项，以第一作者在Light-Science & Applications、Photonics Res.、J. Lightwave Technol.、Opt. Express、Adv. Photonics Res.、IEEE Sens. J. 等期刊发表SCI论文13篇，第一和第二发明人授权国家发明专利20项，公开2项美国专利。