这项光纤技术为重大工程配备“神经末梢”
在幽深的千米隧道、横跨海湾的特大桥梁，乃至绵延千里的油气管道中，如何第一时间精准捕捉仅半米的温度异常？
近日，太原理工大学物理与光电工程学院教授李健、张明江团队在分布式光纤传感领域取得重大突破。团队创新提出“复数域方波宽度啁啾脉冲压缩”技术，突破分布式光纤测温领域的固有技术瓶颈，于45公里超远距离传感范围内达成0.5米定位精度、0.11摄氏度测量精度，相关研究成果近日发表于国际光学期刊《光：科学与应用》。
分辨率不再受限于脉冲长度
分布式光纤温度传感器常被称为工程的神经末梢。它利用激光在光纤内部传输产生的特殊物理效应，既可感知温度变化，又能如同雷达一般实现精准定位。光纤本身不带电、耐腐蚀、抗电磁干扰，是油气管线、特高压电缆、城市管廊安全监测的标配设备。
然而长期以来，该技术始终面临一个悖论：使用短脉冲激光，探测分辨率高，但信号弱、探测距离有限；改用长脉冲激光虽能够实现远距离传感，却会牺牲分辨率，无法识别局部微小异常。这就好比用一把尺子去量东西，尺子上的刻度越密，量得越准，但如果尺子太短，就量不了长距离的东西。
“传统技术就好比要造出一把既有足够量程、又刻满细密刻度的尺子，这在物理层面很难两全。”张明江解释道，“我们的新方法，就是把‘尺子的量程’和‘刻度的密度’拆分开来处理。”
为此，研究团队发明了一种特殊的编码脉冲。他们不再单纯依靠缩短脉冲来提高精度，而是给脉冲加上了独特的“纹理”——方波宽度啁啾。随后，团队利用先进的复数域信号处理算法，对这种脉冲进行“压缩”处理。实验证明，经过这种“压缩”处理后，系统的分辨率不再受限于脉冲的原始长度，而是由压缩后的尖峰宽度决定。这一创新，相当于在不损失探测距离的前提下，给光纤系统装上了一个“高清透视眼”。
强噪声背景下精准读取温度值
突破了“看得细”的难关后，如何在复杂的长距离环境中“听得清”，是另一大挑战。在45公里的传输过程中，有用的温度信号极其微弱，很容易被各种环境噪声淹没，导致测温数据出现波动。
针对这一问题，研究团队在算法上再次发力，提出了“复数域包络提取去噪”方法。如果把探测信号比作一段音乐，那么噪声就是刺耳的杂音。该方法能够智能提取音乐的“旋律轮廓”（包络），过滤掉杂乱的“嘶嘶”声。这种“去伪存真”的能力，让系统在强噪声背景下依然能稳定地读取精确的温度值。
为了检验实战效果，团队搭建了长达45公里的测试系统。对比结果显示，传统方法要么“近视”，看不清远处；要么“老花”，分辨不出细节。而太原理工大学的新方案则表现出了全能的优异性能：既能覆盖45公里的超长距离，又能精准锁定0.5米范围的微小温升，测温误差仅为0.11摄氏度。
业内专家认为，这一成果标志着我国在高端分布式光纤传感技术领域迈出了关键一步。该技术的应用场景极为广阔，未来可广泛应用于长输管线泄漏监测、高铁通信线缆防火、大型数据中心温控管理等领域，为国家重大工程的安全运行提供坚实保障。
在幽深的千米隧道、横跨海湾的特大桥梁，乃至绵延千里的油气管道中，如何第一时间精准捕捉仅半米的温度异常？
近日，太原理工大学物理与光电工程学院教授李健、张明江团队在分布式光纤传感领域取得重大突破。团队创新提出“复数域方波宽度啁啾脉冲压缩”技术，突破分布式光纤测温领域的固有技术瓶颈，于45公里超远距离传感范围内达成0.5米定位精度、0.11摄氏度测量精度，相关研究成果近日发表于国际光学期刊《光：科学与应用》。
分辨率不再受限于脉冲长度
分布式光纤温度传感器常被称为工程的神经末梢。它利用激光在光纤内部传输产生的特殊物理效应，既可感知温度变化，又能如同雷达一般实现精准定位。光纤本身不带电、耐腐蚀、抗电磁干扰，是油气管线、特高压电缆、城市管廊安全监测的标配设备。
然而长期以来，该技术始终面临一个悖论：使用短脉冲激光，探测分辨率高，但信号弱、探测距离有限；改用长脉冲激光虽能够实现远距离传感，却会牺牲分辨率，无法识别局部微小异常。这就好比用一把尺子去量东西，尺子上的刻度越密，量得越准，但如果尺子太短，就量不了长距离的东西。
“传统技术就好比要造出一把既有足够量程、又刻满细密刻度的尺子，这在物理层面很难两全。”张明江解释道，“我们的新方法，就是把‘尺子的量程’和‘刻度的密度’拆分开来处理。”
为此，研究团队发明了一种特殊的编码脉冲。他们不再单纯依靠缩短脉冲来提高精度，而是给脉冲加上了独特的“纹理”——方波宽度啁啾。随后，团队利用先进的复数域信号处理算法，对这种脉冲进行“压缩”处理。实验证明，经过这种“压缩”处理后，系统的分辨率不再受限于脉冲的原始长度，而是由压缩后的尖峰宽度决定。这一创新，相当于在不损失探测距离的前提下，给光纤系统装上了一个“高清透视眼”。
强噪声背景下精准读取温度值
突破了“看得细”的难关后，如何在复杂的长距离环境中“听得清”，是另一大挑战。在45公里的传输过程中，有用的温度信号极其微弱，很容易被各种环境噪声淹没，导致测温数据出现波动。
针对这一问题，研究团队在算法上再次发力，提出了“复数域包络提取去噪”方法。如果把探测信号比作一段音乐，那么噪声就是刺耳的杂音。该方法能够智能提取音乐的“旋律轮廓”（包络），过滤掉杂乱的“嘶嘶”声。这种“去伪存真”的能力，让系统在强噪声背景下依然能稳定地读取精确的温度值。
为了检验实战效果，团队搭建了长达45公里的测试系统。对比结果显示，传统方法要么“近视”，看不清远处；要么“老花”，分辨不出细节。而太原理工大学的新方案则表现出了全能的优异性能：既能覆盖45公里的超长距离，又能精准锁定0.5米范围的微小温升，测温误差仅为0.11摄氏度。
业内专家认为，这一成果标志着我国在高端分布式光纤传感技术领域迈出了关键一步。该技术的应用场景极为广阔，未来可广泛应用于长输管线泄漏监测、高铁通信线缆防火、大型数据中心温控管理等领域，为国家重大工程的安全运行提供坚实保障。
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