用“光”測量世界，他們把最高精度提高10倍

原标題：用“光”測量世界，他們把最高精度提高10倍

中國科學報記者 李清波

不遠的将來，空間站和機翼的形變、極地冰架的溫度、水壩橋梁隧道的裂紋、半導體器件的載流子、礦井下的聲音和溫度，甚至人體髒器器官的癌變，都可以通過鋪設一層感覺“神經”——光纖來測得，而這一切都源于分布式光纖傳感原創技術的不斷突破。

“幾分錢一米的光纖鋪到哪裡，我們就可以感覺到哪裡。空間越大、距離越長，精度要求就越高，感覺資料的範圍也會不斷擴大。”太原理工大學實體學院教授張明江介紹說，基于混沌雷射的分布式光纖傳感器就像是米尺和卷尺的結合，有長度更有精度，幫助我們探測世界。

近日，太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室和實體學院研發了一種新型拉曼分布式光纖溫度傳感技術，能在千米級的傳感距離上實作厘米級的空間分辨率，最佳空間分辨率較世界最先進水準提高10倍以上。該成果發表于《光：科學與應用》。

十年一“件”

兩個月前，中國第40次南極科考隊出征在即，科考隊中兩名博士專門來到張明江的實驗室借走了一台分布式光纖傳感器，用于中國北方機場跑道溫度和南極冰蓋溫度的監測。傳感器外形酷似家用電腦主機，内含一台混沌雷射發射器、接收卡等自研精密儀器，外設光纖接口。隻要把光纖鋪設在被觀測物體表面，傳感器就能發出并回收雷射，并經過一系列複雜運算把光信号精确轉換為溫度、應力、振動等實體量。

“該新型傳感器的研發基于我們對其光源——混沌雷射連續多年的研究，而能夠研發這種雷射儀器的國内機關僅有三四家。我們最先将混沌雷射與光纖傳感器進行結合，研制出的裝置攜帶友善、操作簡單。由于裝置不能售賣，我們就借給需要的同行，以進一步推廣我們團隊的最新研究成果。”張明江說。在他實驗室裡，剛剛完成煤礦井底工作任務的光纖傳感器還沒來得及擦去機殼上的灰塵。

兩位通訊作者也是師徒，左為老師張明江，右為學生李健。受訪者供圖

此混沌非彼混沌。現代混沌理論起始于20世紀60年代氣象學家愛德華·洛倫茨在天氣預測研究中發現的“蝴蝶效應”。經過60年研究，混沌理論在數學、實體、天文學、化學、社會學等領域取得了長足發展，特别是與先進的光學、光電子學結合，在保密光通信、雷射雷達、傳感等應用領域孕育了一系列變革性光學技術。

“混沌雷射概念誕生于20世紀90年代，直到21世紀初，科學家才發現混沌雷射在保密通信、随機數産生、雷射雷達方面有着不可替代的作用。”2003年開始，張明江團隊從零起步摸索混沌雷射器的制備，如今已是國内少有的可以獨立研發該雷射器的團隊。

“沒有任何一個國家會公開出售混沌雷射器。”花費10年時間才站在這條起跑線上的張明江，擁有了“金剛鑽”，可以自主決定“攬哪個瓷器活”。

“亂”中取勝

張明江決定開辟一個無人踏足的領域——在傳統脈沖雷射作為光源的光纖傳感器上，嘗試引入混沌雷射作為光源，并走向原有技術難以達到的新邊界。

選擇新方向意味着需要持續投入更多精力、人力，甚至可能要面臨拆東牆補西牆的窘迫。“從腦中的設想和概念到如今批量生産産品，我們花了11年時間。”張明江在混沌雷射為基礎的光纖傳感器上的投入不亞于一把豪賭。

“風險來自混沌雷射，并不被人看好。”張明江介紹說，“對于光纖傳感器來說，換個光源，将脈沖雷射變為混沌雷射是一種翻天覆地的變化，且基于完全不同的科學原理，和傳統儀器相比完全是兩種類型的儀器。”

脈沖雷射時序波形規律起伏，混沌雷射的時序波形呈現類噪聲特性。傳統脈沖雷射在光纖傳感器中受制于它的脈沖寬度，脈沖寬度越窄，它的空間分辨率越好。但是伴生而來的是信噪比加大，類似于信号中的“雜質”“噪聲”，兩者互相沖突，難以兼得。

新光纖傳感器的特點是寬光譜，脈沖時序毫無規律且幅度極大，理論上，給空間分辨率的提高增加了很大難度。

“意識到難題後，我們從在紙面上的驗算開始，在理論設計上反複琢磨，在仿真模拟中花了一年多時間，從原理上解決了傳統系統空間分辨率受脈寬限制的問題。”另一位通訊作者、太原理工大學電子資訊與光學工程學院副教授李健介紹說。

混沌雷射與光纖傳感器成功結合，可突破傳統光纖傳感器的性能邊界。傳統光纖傳感器上，1公裡光纖隻能定位到米量級資料，大約會産生1000個資料。而新傳感器可以抓取每厘米光纖上的資料，産生10萬個資料，提升了2個數量級。

提出問題難于攻克問題

光纖是神經，雷射是感覺手段，那麼解調儀就是處理資訊的“大腦”。

混沌雷射入射進入光纖中，通過光傳播時産生的後向散射光可擷取光纖沿線的光時序、光頻率和光相位等資訊，然後該資訊又被原路收集回到傳感器采集卡。光走過1公裡花費極短的時間，卻能産生最少20萬個資料，複雜的曲線、雜亂的信号意味着解碼難、資料處理量極大。張明江團隊獨家研制了時空壓縮調制解調儀，使用了邊緣計算等最新的計算機技術，實作了海量資料整理和強力解碼。

分布式光纖傳感器分為瑞利散射、布裡淵散射、拉曼散射3個方向。“每個方向都是一座需要翻越的大山，在這3個方向都要做出不同的傳感器。”張明江解釋說。

知之愈明，則行之愈笃。從2012年提出設想，到2023年發表論文，張明江團隊完成了理論的創新和3個研究方向的突破，實作了裝置研發成熟可用、小型化以及量産。

其實早在剛起步階段，張明江就背負極大的壓力。有專家指出，拉曼散射方向的研究如果沒有完全徹底地改進，基本就到了死胡同，沒什麼前途。是以，張明江為了準備切入這個新賽道，給課題組的學生安排了不同的任務，首先就是讀文獻。

2015年，李健成為張明江的碩士研究所學生，從新課題的起步階段就在持續跟進。張明江對他的要求是不僅要讀懂，還要讀出這篇文章的缺陷在哪裡，以此鍛煉學術思維能力。

“最大的困難是導師最開始提出‘科學問題’的那一刻，因為并不是所有問題都可以成為‘科學問題’。”李健說。

最近，張明江的腦海裡又誕生了更深層次的科學問題，未來3年，他們承擔了一項科技部重點研發計劃專項，研制一種可以應用在生命科學、空天科學、地質科學領域的光纖頻域反射測量儀。

張明江介紹說：“這是一款以混沌雷射為光源的高精尖科學測量儀器，我們的目标是比目前最先進的光纖傳感器還要靈敏10倍，鋪設長度提高10倍，在溫度場、應變場之外，再新增振動場、磁場、倏逝場3個實體場，大到海底光纜狀态、礦區塌陷變化，小到電網磁場、體内惡性良性腫瘤标志物都可以被觀測到。”

張明江表示，一把優秀的“尺”不僅是測量工具，還是大科研、大工程、大裝置必不可少的好幫手。

來源：中國科學報