光纖變身 從信号傳輸的“血管”到監測的“神經”

現在走進中國地震局院子裡的花壇，蹲下來，你仍然可以看到已經翻轉的痕迹。在南門附近，仔細觀察，你可以看到一圈暴露在外的纖維。

廉價的，衆所周知的家用纖維已經在地震局内鋪設了600多米。600多米環形光纖，接入中國科學技術大學和中國地震局團隊自主研發的DAS（分布式光纖聲波/振動傳感）和DTS（分布式光纖溫度監測）系統，相當于部署了1600個振動和溫度傳感器進行觀測試驗。

10月22日，分布式光纖傳感技術應用展覽會在北京舉行。纖維，不僅僅是傳遞信号的"血管"，現在也是監測信号的"神經"。

将40公裡長的電纜變成數以萬計的地震傳感器

近年來，除了通信領域之外，光纖還被用作測量應力和溫度等實體量的傳感器。然而，新技術的核心裝置，光信号調制，嚴重依賴進口。國外裝置不僅價格昂貴，高端産品對中國的出口也受到許多限制。

2021年，中國科學技術大學開發了具有自主知識産權的DAS系統，該系統可以使用現有的通信光纖電纜進行地震監測和地下空間探測。

技術原理是利用光時域反射技術進行定位。光的Riley散射對光纖折射率，長度等的變化非常敏感。當光纖受到幹擾時，Riley散射光的強度和相位會發生變化。是以，檢測和失諧Riley散射光可以獲得外部振動資訊。

中國科學技術大學地球與空間科學學院教授王寶山表示，該裝置的三個關鍵點是專用雷射光源，高靈敏度檢測系統和高保真解調系統。DAS裝置可以将40公裡長的光纖電纜變成數以萬計的地震傳感器。"光纖與傳統地震儀一樣靈敏，可以感覺各種振動信号;但超高密度觀測使光纖更有能力進行監測。2021年6月，DAS裝置部署在合肥紫峰山進行連續觀測，成功測量了宣城2.7級地震、菲律賓6.6級地震等。在地震局鋪設光纖後，DAS系統記錄了10月15日内蒙古赤峰市4.7級地震的波形資料，與傳統的短周期地震儀觀測一緻。

王寶山表示，這為城市地區的地震/超密集陣列觀測提供了新的解決方案，可以補充現有的監測系統。

連續測溫，達到傳統測溫技術無法到達的地方

使用另一種光散射，可以靈敏地捕獲溫度變化。它是拉曼散射，即光波散射後的頻率發生變化。

拉曼散射是由光子與分子固有振動互相作用引起的，攜帶分子溫度資訊，其強度與溫度相關。是以，通過分析這種光的散射，可以測量溫度。

不久前，科技部部長王志剛釋出"動員令"，準備為期100天的冬季奧運會。中國科學院院士、地球實體學家、中國地震局科委主任陳偉告訴《科技日報》，研究團隊積極響應"動員令"，重點關注雷射光源、核心算法等關鍵技術，開發了分布式光纖溫度傳感（DTS）系統。 包括雷射光源系統、信号失諧和資料處理系統，這些系統擁有完全的知識産權，均為國産。

溫度對冰雪的運動有很大的影響。"測溫技術是冰雪運動的科技支撐，體育場館冰雪的動态溫度變化是體育比賽的基礎科學資料。"陳說。

傳統的溫度測量方法往往是單點測量，不能充分、及時地反映時空溫度的變化。DTS正在解決這種痛苦。通過在冰雪賽營附近種植溫度測量光纖，可以監測整個賽道每1米或更短的溫度變化，測量精度高達0.1攝氏度。

分布式光纖傳感系統可以監測溫度、應變和振動，并擴大傳統方法無法或無法監測的領域，中國科學技術大學合肥國家微尺度材料科學研究中心教授陳偉說。這種監測還可以及時發現大型設施的潛在故障。可用于輸電網、石化、大型倉庫、深海和深海勘探。

陳說，下一步，他們将推動分布式光纖傳感硬體和軟體的開發和産業化，推動分布式光纖傳感監測網絡的建設，并擴大其應用領域。（記者 張加倫）

來源：科學日報