光纖變身 從信號傳輸的“血管”到監測的“神經”

現在走進中國地震局院內的花壇，蹲下身，你還能看出土被翻動過的痕跡。在南門附近，仔細找，你能看到露出在外的一圈光纖。

這種廉價的、大眾熟知的入户光纖，在地震局內新鋪設了600多米。600多米的環形光纖，接入中國科技大學和中國地震局團隊合作自主研製的DAS（分佈式光纖聲波/振動傳感）和DTS（分佈式光纖温度監測）系統，相當於佈置了1600個振動和温度傳感器開展觀測試驗。

10月22日，分佈式光纖傳感技術應用展示會在北京召開。光纖，不只是傳輸信號的“血管”，如今，也成為監測信號的“神經”。

將40千米長的光纜變成數萬個地震傳感器

近年來，光纖除應用於通信領域外，還被作為傳感器用於測量應力和温度等物理量。不過，這項新技術的核心設備——光信號調製解調主要依賴進口。國外設備不僅價格高昂，高端產品向我國出口也受到諸多限制。

2021年，中國科學技術大學研製出具有自主知識產權的DAS系統，可利用現有通訊光纜進行地震監測和地下空間探測等工作。

其技術原理是利用光時域反射技術進行定位。光的瑞利散射對光纖的折射率、長度等變化極其敏感。當光纖受到擾動時，瑞利散射光的強度和相位會發生變化。因此，探測並解調瑞利散射光可獲得外界振動信息。

中國科學技術大學地球和空間科學學院教授王寶善介紹，這套設備的三大關鍵點，是專用激光光源、高靈敏探測系統和高保真解調系統。DAS設備能夠將40千米長的光纜變成數萬個地震傳感器。“光纖與傳統地震儀的靈敏度相當， 能夠感知各種振動信號；但超高密度觀測使得光纖具有更高的監測能力。”2021年6月，DAS設備部署在合肥紫蓬山進行連續觀測，成功測到宣城2.7級地震，菲律賓6.6級地震等。在地震局內鋪設光纖後，DAS系統記錄到10月15日內蒙古赤峯4.7級地震波形數據，與傳統短週期地震儀觀測一致性良好。

王寶善説，這為在城市地區開展地震密集/超密集台陣觀測提供了新的解決思路，可以成為現有監測系統的補充。

連續性測温，抵達傳統測温技術所不能達之處

而利用光的另一種散射，則可以靈敏捕捉温度的變化。它是拉曼散射，即光波在被散射後頻率會發生變化。

拉曼散射源於光子與分子的固有振動相互作用，攜帶了分子温度信息，其強度和温度相關。所以，對這種光的散射進行解析，就能測温。

前不久，科技部部長王志剛向冬奧會籌辦百日科技攻堅發出“動員令”。中國科學院院士、地球物理學家、中國地震局科技委主任陳顒告訴科技日報記者，研究團隊積極響應這一“動員令”，集中力量對激光光源、核心算法等關鍵技術進行攻關，研製出包括激光光源系統、信號解調和數據處理系統等模塊的分佈式光纖温度傳感（DTS）系統，它具有完全知識產權，全部器件均為國產。

温度對冰雪運動有很大影響。“温度測量技術是冰雪運動會的科技支撐，運動場地冰雪的動態温度變化是運動會的基本科學數據。”陳顒説。

傳統測温方式往往是單點測量，無法全面及時反映温度的時空變化。DTS正可以解決這一痛點。在冰雪比賽場地附近埋設一條温度測量光纖，就能對整條賽道每隔1米甚至更短距離的温度變化進行監測，測量精度可達0.1℃。

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心教授陳暘介紹，分佈式光纖傳感系統，可以監測温度、應變和振動，拓展傳統方式無法或難以監測的區域。這類監測，還可以及時發現大型設施的潛在故障。它在輸電網絡、石油化工、大型倉庫中，在深地和深海探測中，都能得到應用。

陳顒表示，下一步，他們將推動分佈式光纖傳感軟硬件的研發和成果產業化，推動分佈式光纖傳感監測網絡建設，拓展其應用領域。