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新型拉曼分布式光纖溫度傳感技術在千米級傳感距離上實現厘米級空間分辨率

發布時間:2023-12-05 11:49:28 人氣:

近日,太原理工大學青年教師李健和張明江教授所在團隊提出一種新型拉曼分布式光纖溫度傳感技術,該技術可以提高拉曼分布式溫度傳感器的傳感空間分辨率,并能在千米級的傳感距離上實現厘米級的空間分辨率,也是目前全球范圍內基于拉曼分布式光纖傳感技術的長距離傳感成果中,所能實現的最佳空間分辨率。該研究成果最終以《拉曼分布式光纖傳感的物理與應用》和《混沌拉曼分布式光纖傳感》為題發表在Light:Science&Applications上。

作為一款高效的測量監測工具,分布式光纖溫度傳感技術在軍事武器裝備、深海深地、極地科考、大型水利工程、智能電網等諸多領域有著重要應用價值。例如,高空間分辨率的分布式光纖傳感技術,可以為地球深部探測、深海深地資源勘探、以及深海信息感知提供高效的研究工具。

同時,該類技術還能為智慧電網電纜狀態監測、故障與災變研究提供絕佳的測試手段。高空間分辨率的分布式光纖傳感儀則能在極地科考中發揮巨大作用,比如用于南極冰架和海洋溫度的原位高效監測。

該課題組的前期實驗發現,當待測光纖長度小于系統傳感空間分辨率之時,系統測量溫度會與實際環境溫度存在較大的測量誤差。此外,受到光纖模式色散的影響,所能探測到的光纖末端傳感空間分辨率,會被惡化至數米。這嚴重限制了拉曼分布式光纖傳感技術的應用。

為解決上述問題,學界曾提出以下幾種技術方案:基于單模光纖的脈沖編碼調制法、窄脈寬傳感解調法、以及特種光纖傳感法等方案。

但是,對于傳感距離大于10 km的長距離拉曼分布式光纖傳感技術來說,受限于光源脈寬和光時域反射定位原理,導致其長距離傳感下的最佳空間分辨率被限制在1 m。

探測區域所能影響到的光纖長度,往往小于傳感空間分辨率。這導致探測區域的溫度變化信息,被完全淹沒在空間分辨率所對應長度之內的環境溫度噪聲中,因此很難識別光纖區域所產生的溫度變化特征,最終會導致相關事故的發生,喪失早發現、早治理的良機。所以,進一步提升拉曼分布式光纖傳感技術的傳感空間分辨率,是領域內迫切需要解決的重大難題。

作為激光器的一種特殊輸出方式,混沌激光具有寬頻譜、類噪聲、強度大幅振蕩等特性。當以混沌激光作為傳感信號時,在提高長距離分布式光纖傳感技術的空間分辨率上,能夠帶來較大的優勢。以此為啟發,該團隊將混沌傳感信號與拉曼分布式光纖傳感技術加以結合,發展了這種新型拉曼分布式光纖溫度傳感技術。它基于寬頻混沌激光,有望解決領域之內所面臨的難題。

新型拉曼分布式光纖溫度傳感技術

除此之外,團隊還曾開展過其它的新型分布式光纖傳感基礎理論與方法、關鍵技術與器件、工程儀器與應用的全鏈條研究工作。

通過這一系列的研究,他們實現了長傳感距離、高空間分辨率的分布式應變、溫度傳感,解決了交通隧道、能源輸送管網等重大設施的安全監測與災害預警難題

標簽: 傳感器新聞

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