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2021年10月25日
【科技日报】光纤变身 从信号传输的“血管”到监测的“神经”

本报记者 张盖伦

现在走进中国地震局院内的花坛,蹲下身,你还能看出土被翻动过的痕迹。在南门附近,仔细找,你能看到露出在外的一圈光纤。

这种廉价的、大众熟知的入户光纤,在地震局内新铺设了600多米。600多米的环形光纤,接入中国科技大学和中国地震局团队合作自主研制的DAS(分布式光纤声波/振动传感)和DTS(分布式光纤温度监测)系统,相当于布置了1600个振动和温度传感器开展观测试验。

10月22日,分布式光纤传感技术应用展示会在北京召开。光纤,不只是传输信号的“血管”,如今,也成为监测信号的“神经”。

将40千米长的光缆变成数万个地震传感器

近年来,光纤除应用于通信领域外,还被作为传感器用于测量应力和温度等物理量。不过,这项新技术的核心设备——光信号调制解调主要依赖进口。国外设备不仅价格高昂,高端产品向我国出口也受到诸多限制。

2021年,中国科学技术大学研制出具有自主知识产权的DAS系统,可利用现有通讯光缆进行地震监测和地下空间探测等工作。

其技术原理是利用光时域反射技术进行定位。光的瑞利散射对光纤的折射率、长度等变化极其敏感。当光纤受到扰动时,瑞利散射光的强度和相位会发生变化。因此,探测并解调瑞利散射光可获得外界振动信息。

中国科学技术大学地球和空间科学学院教授王宝善介绍,这套设备的三大关键点,是专用激光光源、高灵敏探测系统和高保真解调系统。DAS设备能够将40千米长的光缆变成数万个地震传感器。“光纤与传统地震仪的灵敏度相当, 能够感知各种振动信号;但超高密度观测使得光纤具有更高的监测能力。”2021年6月,DAS设备部署在合肥紫蓬山进行连续观测,成功测到宣城2.7级地震,菲律宾6.6级地震等。在地震局内铺设光纤后,DAS系统记录到10月15日内蒙古赤峰4.7级地震波形数据,与传统短周期地震仪观测一致性良好。

王宝善说,这为在城市地区开展地震密集/超密集台阵观测提供了新的解决思路,可以成为现有监测系统的补充。

连续性测温,抵达传统测温技术所不能达之处

而利用光的另一种散射,则可以灵敏捕捉温度的变化。它是拉曼散射,即光波在被散射后频率会发生变化。

拉曼散射源于光子与分子的固有振动相互作用,携带了分子温度信息,其强度和温度相关。所以,对这种光的散射进行解析,就能测温。

前不久,科技部部长王志刚向冬奥会筹办百日科技攻坚发出“动员令”。中国科学院院士、地球物理学家、中国地震局科技委主任陈颙告诉科技日报记者,研究团队积极响应这一“动员令”,集中力量对激光光源、核心算法等关键技术进行攻关,研制出包括激光光源系统、信号解调和数据处理系统等模块的分布式光纤温度传感(DTS)系统,它具有完全知识产权,全部器件均为国产。

温度对冰雪运动有很大影响。“温度测量技术是冰雪运动会的科技支撑,运动场地冰雪的动态温度变化是运动会的基本科学数据。”陈颙说。

传统测温方式往往是单点测量,无法全面及时反映温度的时空变化。DTS正可以解决这一痛点。在冰雪比赛场地附近埋设一条温度测量光纤,就能对整条赛道每隔1米甚至更短距离的温度变化进行监测,测量精度可达0.1℃。

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心教授陈旸介绍,分布式光纤传感系统,可以监测温度、应变和振动,拓展传统方式无法或难以监测的区域。这类监测,还可以及时发现大型设施的潜在故障。它在输电网络、石油化工、大型仓库中,在深地和深海探测中,都能得到应用。

陈颙表示,下一步,他们将推动分布式光纤传感软硬件的研发和成果产业化,推动分布式光纤传感监测网络建设,拓展其应用领域。

《科技日报》(2021年10月25日3版)

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