在幽深的千米隧道、橫跨海灣的特大橋梁，乃至綿延千里的油氣管道中，如何第一時間精準捕捉僅半米的溫度異常？
近日，太原理工大學物理與光電工程學院教授李健、張明江團隊在分布式光纖傳感領域取得重大突破。團隊創新提出“復數域方波寬度啁啾脈沖壓縮”技術，突破分布式光纖測溫領域的固有技術瓶頸，于45公里超遠距離傳感范圍內達成0.5米定位精度、0.11攝氏度測量精度，相關研究成果近日發表于國際光學期刊《光：科學與應用》。
分辨率不再受限于脈沖長度
分布式光纖溫度傳感器常被稱為工程的神經末梢。它利用激光在光纖內部傳輸產生的特殊物理效應，既可感知溫度變化，又能如同雷達一般實現精準定位。光纖本身不帶電、耐腐蝕、抗電磁干擾，是油氣管線、特高壓電纜、城市管廊安全監測的標配設備。
然而長期以來，該技術始終面臨一個悖論：使用短脈沖激光，探測分辨率高，但信號弱、探測距離有限；改用長脈沖激光雖能夠實現遠距離傳感，卻會犧牲分辨率，無法識別局部微小異常。這就好比用一把尺子去量東西，尺子上的刻度越密，量得越準，但如果尺子太短，就量不了長距離的東西。
“傳統技術就好比要造出一把既有足夠量程、又刻滿細密刻度的尺子，這在物理層面很難兩全。”張明江解釋道，“我們的新方法，就是把‘尺子的量程’和‘刻度的密度’拆分開來處理。”
為此，研究團隊發明了一種特殊的編碼脈沖。他們不再單純依靠縮短脈沖來提高精度，而是給脈沖加上了獨特的“紋理”——方波寬度啁啾。隨后，團隊利用先進的復數域信號處理算法，對這種脈沖進行“壓縮”處理。實驗證明，經過這種“壓縮”處理后，系統的分辨率不再受限于脈沖的原始長度，而是由壓縮后的尖峰寬度決定。這一創新，相當于在不損失探測距離的前提下，給光纖系統裝上了一個“高清透視眼”。
強噪聲背景下精準讀取溫度值
突破了“看得細”的難關后，如何在復雜的長距離環境中“聽得清”，是另一大挑戰。在45公里的傳輸過程中，有用的溫度信號極其微弱，很容易被各種環境噪聲淹沒，導致測溫數據出現波動。
針對這一問題，研究團隊在算法上再次發力，提出了“復數域包絡提取去噪”方法。如果把探測信號比作一段音樂，那么噪聲就是刺耳的雜音。該方法能夠智能提取音樂的“旋律輪廓”（包絡），過濾掉雜亂的“嘶嘶”聲。這種“去偽存真”的能力，讓系統在強噪聲背景下依然能穩定地讀取精確的溫度值。
為了檢驗實戰效果，團隊搭建了長達45公里的測試系統。對比結果顯示，傳統方法要么“近視”，看不清遠處；要么“老花”，分辨不出細節。而太原理工大學的新方案則表現出了全能的優異性能：既能覆蓋45公里的超長距離，又能精準鎖定0.5米范圍的微小溫升，測溫誤差僅為0.11攝氏度。
業內專家認為，這一成果標志著我國在高端分布式光纖傳感技術領域邁出了關鍵一步。該技術的應用場景極為廣闊，未來可廣泛應用于長輸管線泄漏監測、高鐵通信線纜防火、大型數據中心溫控管理等領域，為國家重大工程的安全運行提供堅實保障。（記者 韓榮）
轉自：科技日報
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