混沌拉曼分布式光纤传感

基于混沌二次相关性的定位示意图。资料来源：Light： 科学与应用》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41377-023-01267-3

检测技术的及时性和准确性直接关系到人们的生命和财产安全。在该技术的应用中，温度是必须重点关注的物理量。与其他测温技术相比，拉曼分布式光纤传感器具有耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、系统体积小、维护成本低等优点，因此被广泛应用于管道泄漏检测、高岩电缆过载检测、仓库火灾检测等场合。

拉曼分布式光纤传感主要基于光纤中的拉曼散射效应以及光时域反射技术，实现沿光纤分布的全分布式传感。空间分辨率作为该系统的一项重要指标，反映了传感系统在测量温度场时所能分辨的最小光纤长度。

现有的千米级拉曼分布式光纤传感方案的空间分辨率仅限于米级，而一些电力设备应用则要求实现分米级的空间分辨率，因此分布式光纤传感器在一些特殊场合的应用受到严重制约。

为解决这一问题，太原理工大学李健和张明江团队提出了一种基于混沌相关方法的高空间分辨率拉曼分布式光纤传感技术。该研究成果发表在《光： 科学与应用》杂志上。

在这项工作中，研究小组提出了一种新方案，利用混沌差分重构和混沌二次相关算法来研究混沌拉曼分布式光纤传感系统的传感距离和空间分辨率。系统采用混沌激光作为光源，利用其自相关特性消除光源混沌脉宽对系统空间分辨率的影响。

通过二次相关算法和导数分析增强了微弱的检测信号，解决了传统方案中信号信噪比和系统空间分辨率无法兼顾的问题。

文章以混沌激光器作为新型传感光源，提出了一种新型混沌拉曼分布式光纤传感方案，研究了传感光纤中连续和脉冲混沌激光器的拉曼后向散射特性以及FUT对混沌拉曼散射信号的调制原理、 为混沌 ROTDR 系统的实验提供了基本数学模型，并具体分析了混沌拉曼后向散射信号的差分重构脉宽和一次性相关算法突破空间分辨率限制的理论基础。
 

针对实验结果受噪声影响较大的问题，文中提出了一种二次相关算法，进一步论证了温度变化信息与混沌相关峰之间的混沌时域压缩解调机理，建立了混沌拉曼后向散射信号差分重构与二次相关的传播方程。

最后，团队根据混沌 ROTDR 系统测温原理，搭建了混沌 ROTDR 实验平台。从理论和实验角度研究了混沌脉冲宽度、频谱形状、混沌带宽、混沌子脉冲数、振幅概率分布、输入功率和系统延迟对混沌ROTDR系统传感距离和空间分辨率的影响。

实验确保了上述影响因素处于最佳状态，所获得的实验结果能够准确定位温度变化信号的位置。最后，在 1.5 千米的传感距离上实现了 10 厘米的空间分辨率。

实验证明，混沌 ROTDR 系统能够打破脉冲宽度对空间分辨率的抑制，并最终在使用 50 ns 脉冲宽度时实现了厘米级的空间分辨率。在现有空间分辨率理论的限制下，该方案的空间分辨率比传统方案提高了 50 倍。

基于混沌相关方法的拉曼分布式光纤传感技术优化了传统传感器的空间分辨率性能，拓展了拉曼分布式光纤传感器的应用场景，在一些需要高空间分辨率的场合具有很大的应用潜力，为光混沌与光纤传感提供了新的研究方向。

参考资料

Chenyi Wang et al, Chaos Raman distributed optical fiber sensing, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01267-3