光纖變身 從信號傳輸的“血管”到監測的“神經(jīng)”

  ICC訊 現在走進(jìn)中國地震局院內的花壇，蹲下身，你還能看出土被翻動(dòng)過(guò)的痕跡。在南門(mén)附近，仔細找，你能看到露出在外的一圈光纖。

  這種廉價(jià)的、大眾熟知的入戶(hù)光纖，在地震局內新鋪設了600多米。600多米的環(huán)形光纖，接入中國科技大學(xué)和中國地震局團隊合作自主研制的DAS（分布式光纖聲波/振動(dòng)傳感）和DTS（分布式光纖溫度監測）系統，相當于布置了1600個(gè)振動(dòng)和溫度傳感器開(kāi)展觀(guān)測試驗。

  10月22日，分布式光纖傳感技術(shù)應用展示會(huì )在北京召開(kāi)。光纖，不只是傳輸信號的“血管”，如今，也成為監測信號的“神經(jīng)”。

  將40千米長(cháng)的光纜變成數萬(wàn)個(gè)地震傳感器

  近年來(lái)，光纖除應用于通信領(lǐng)域外，還被作為傳感器用于測量應力和溫度等物理量。不過(guò)，這項新技術(shù)的核心設備——光信號調制解調主要依賴(lài)進(jìn)口。國外設備不僅價(jià)格高昂，高端產(chǎn)品向我國出口也受到諸多限制。

  2021年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制出具有自主知識產(chǎn)權的DAS系統，可利用現有通訊光纜進(jìn)行地震監測和地下空間探測等工作。

  其技術(shù)原理是利用光時(shí)域反射技術(shù)進(jìn)行定位。光的瑞利散射對光纖的折射率、長(cháng)度等變化極其敏感。當光纖受到擾動(dòng)時(shí)，瑞利散射光的強度和相位會(huì )發(fā)生變化。因此，探測并解調瑞利散射光可獲得外界振動(dòng)信息。

  中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院教授王寶善介紹，這套設備的三大關(guān)鍵點(diǎn)，是專(zhuān)用激光光源、高靈敏探測系統和高保真解調系統。DAS設備能夠將40千米長(cháng)的光纜變成數萬(wàn)個(gè)地震傳感器?！?A href="http://joq5k4q.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e5%85%89%e7%ba%a4&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">光纖與傳統地震儀的靈敏度相當， 能夠感知各種振動(dòng)信號；但超高密度觀(guān)測使得光纖具有更高的監測能力?！?021年6月，DAS設備部署在合肥紫蓬山進(jìn)行連續觀(guān)測，成功測到宣城2.7級地震，菲律賓6.6級地震等。在地震局內鋪設光纖后，DAS系統記錄到10月15日內蒙古赤峰4.7級地震波形數據，與傳統短周期地震儀觀(guān)測一致性良好。

  王寶善說(shuō)，這為在城市地區開(kāi)展地震密集/超密集臺陣觀(guān)測提供了新的解決思路，可以成為現有監測系統的補充。

  連續性測溫，抵達傳統測溫技術(shù)所不能達之處

  而利用光的另一種散射，則可以靈敏捕捉溫度的變化。它是拉曼散射，即光波在被散射后頻率會(huì )發(fā)生變化。

  拉曼散射源于光子與分子的固有振動(dòng)相互作用，攜帶了分子溫度信息，其強度和溫度相關(guān)。所以，對這種光的散射進(jìn)行解析，就能測溫。

  前不久，科技部部長(cháng)王志剛向冬奧會(huì )籌辦百日科技攻堅發(fā)出“動(dòng)員令”。中國科學(xué)院院士、地球物理學(xué)家、中國地震局科技委主任陳颙告訴科技日報記者，研究團隊積極響應這一“動(dòng)員令”，集中力量對激光光源、核心算法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，研制出包括激光光源系統、信號解調和數據處理系統等模塊的分布式光纖溫度傳感（DTS）系統，它具有完全知識產(chǎn)權，全部器件均為國產(chǎn)。

  溫度對冰雪運動(dòng)有很大影響?！皽囟葴y量技術(shù)是冰雪運動(dòng)會(huì )的科技支撐，運動(dòng)場(chǎng)地冰雪的動(dòng)態(tài)溫度變化是運動(dòng)會(huì )的基本科學(xué)數據?！标愶J說(shuō)。

  傳統測溫方式往往是單點(diǎn)測量，無(wú)法全面及時(shí)反映溫度的時(shí)空變化。DTS正可以解決這一痛點(diǎn)。在冰雪比賽場(chǎng)地附近埋設一條溫度測量光纖，就能對整條賽道每隔1米甚至更短距離的溫度變化進(jìn)行監測，測量精度可達0.1℃。

  中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心教授陳旸介紹，分布式光纖傳感系統，可以監測溫度、應變和振動(dòng)，拓展傳統方式無(wú)法或難以監測的區域。這類(lèi)監測，還可以及時(shí)發(fā)現大型設施的潛在故障。它在輸電網(wǎng)絡(luò )、石油化工、大型倉庫中，在深地和深海探測中，都能得到應用。

  陳颙表示，下一步，他們將推動(dòng)分布式光纖傳感軟硬件的研發(fā)和成果產(chǎn)業(yè)化，推動(dòng)分布式光纖傳感監測網(wǎng)絡(luò )建設，拓展其應用領(lǐng)域。