光纖變身 從信號(hào)傳輸?shù)摹把堋钡奖O(jiān)測(cè)的“神經(jīng)”

  ICC訊 現(xiàn)在走進(jìn)中國(guó)地震局院內(nèi)的花壇，蹲下身，你還能看出土被翻動(dòng)過(guò)的痕跡。在南門附近，仔細(xì)找，你能看到露出在外的一圈光纖。

  這種廉價(jià)的、大眾熟知的入戶光纖，在地震局內(nèi)新鋪設(shè)了600多米。600多米的環(huán)形光纖，接入中國(guó)科技大學(xué)和中國(guó)地震局團(tuán)隊(duì)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(jiān)測(cè)）系統(tǒng)，相當(dāng)于布置了1600個(gè)振動(dòng)和溫度傳感器開展觀測(cè)試驗(yàn)。

  10月22日，分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用展示會(huì)在北京召開。光纖，不只是傳輸信號(hào)的“血管”，如今，也成為監(jiān)測(cè)信號(hào)的“神經(jīng)”。

  將40千米長(zhǎng)的光纜變成數(shù)萬(wàn)個(gè)地震傳感器

  近年來(lái)，光纖除應(yīng)用于通信領(lǐng)域外，還被作為傳感器用于測(cè)量應(yīng)力和溫度等物理量。不過(guò)，這項(xiàng)新技術(shù)的核心設(shè)備——光信號(hào)調(diào)制解調(diào)主要依賴進(jìn)口。國(guó)外設(shè)備不僅價(jià)格高昂，高端產(chǎn)品向我國(guó)出口也受到諸多限制。

  2021年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DAS系統(tǒng)，可利用現(xiàn)有通訊光纜進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)和地下空間探測(cè)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(duì)光纖的折射率、長(zhǎng)度等變化極其敏感。當(dāng)光纖受到擾動(dòng)時(shí)，瑞利散射光的強(qiáng)度和相位會(huì)發(fā)生變化。因此，探測(cè)并解調(diào)瑞利散射光可獲得外界振動(dòng)信息。

  中國(guó)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(shè)備的三大關(guān)鍵點(diǎn)，是專用激光光源、高靈敏探測(cè)系統(tǒng)和高保真解調(diào)系統(tǒng)。DAS設(shè)備能夠?qū)?0千米長(zhǎng)的光纜變成數(shù)萬(wàn)個(gè)地震傳感器?！?A href="http://3xchallenge.com/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(tǒng)地震儀的靈敏度相當(dāng)， 能夠感知各種振動(dòng)信號(hào)；但超高密度觀測(cè)使得光纖具有更高的監(jiān)測(cè)能力?！?021年6月，DAS設(shè)備部署在合肥紫蓬山進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，成功測(cè)到宣城2.7級(jí)地震，菲律賓6.6級(jí)地震等。在地震局內(nèi)鋪設(shè)光纖后，DAS系統(tǒng)記錄到10月15日內(nèi)蒙古赤峰4.7級(jí)地震波形數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)短周期地震儀觀測(cè)一致性良好。

  王寶善說(shuō)，這為在城市地區(qū)開展地震密集/超密集臺(tái)陣觀測(cè)提供了新的解決思路，可以成為現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的補(bǔ)充。

  連續(xù)性測(cè)溫，抵達(dá)傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)所不能達(dá)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(qiáng)度和溫度相關(guān)。所以，對(duì)這種光的散射進(jìn)行解析，就能測(cè)溫。

  前不久，科技部部長(zhǎng)王志剛向冬奧會(huì)籌辦百日科技攻堅(jiān)發(fā)出“動(dòng)員令”。中國(guó)科學(xué)院院士、地球物理學(xué)家、中國(guó)地震局科技委主任陳颙告訴科技日?qǐng)?bào)記者，研究團(tuán)隊(duì)積極響應(yīng)這一“動(dòng)員令”，集中力量對(duì)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(tǒng)、信號(hào)解調(diào)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等模塊的分布式光纖溫度傳感（DTS）系統(tǒng)，它具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)，全部器件均為國(guó)產(chǎn)。

  溫度對(duì)冰雪運(yùn)動(dòng)有很大影響?！皽囟葴y(cè)量技術(shù)是冰雪運(yùn)動(dòng)會(huì)的科技支撐，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地冰雪的動(dòng)態(tài)溫度變化是運(yùn)動(dòng)會(huì)的基本科學(xué)數(shù)據(jù)。”陳颙說(shuō)。

  傳統(tǒng)測(cè)溫方式往往是單點(diǎn)測(cè)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(shè)一條溫度測(cè)量光纖，就能對(duì)整條賽道每隔1米甚至更短距離的溫度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度可達(dá)0.1℃。

  中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心教授陳旸介紹，分布式光纖傳感系統(tǒng)，可以監(jiān)測(cè)溫度、應(yīng)變和振動(dòng)，拓展傳統(tǒng)方式無(wú)法或難以監(jiān)測(cè)的區(qū)域。這類監(jiān)測(cè)，還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)大型設(shè)施的潛在故障。它在輸電網(wǎng)絡(luò)、石油化工、大型倉(cāng)庫(kù)中，在深地和深海探測(cè)中，都能得到應(yīng)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(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。