强强联手！他们让光纤变身“温度计”和“地震仪”

科技日报记者 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，接入中国科学技术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，不止是运送信号的“血管”，如今，也成为监测信号的“神经”。

分布式光纤传感技术应用展示会现场

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。

在地震局内举行的展示会现场，借助600多米的环形光纤，DAS也“探听”着光纤沿线的动静。人在踏步，地铁驶过， 屏幕上，都会出现相应的波形，对其诚实地记录。

DAS系统记录到1号线开往不同方向的地铁 摄影：张强

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。

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员张强在介绍DTS在地震局内对温度的监测情况

前不久，科技部部长王志刚在调研“科技冬奥”时，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。

中科院院士陈颙在介绍相关情况

温度对冰雪运动有很大影响。此前的研究表明，零下7℃，最有利于滑冰运动；零下3℃，最有利于滑雪运动。适宜的温度，有助于运动员发挥最好水平。“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。

传统测温手段一般分为接触式和非接触式，大多采用水银温度计和红外测温仪。但这些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℃。

分布式光纤温度监测仪 摄影：张强

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。比如说，人类现在对地下的认知还非常匮乏，要实现地下测温，更是困难重重。但如果把光纤沿井口放入地下，就好办得多，专业人员只需在地面用设备接收并解析数据即可。

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。

本文图片除注明外均由科技日报记者张盖伦拍摄

编辑：张爽

审核：岳靓

科普丨分布式光纤传感器

分布式光纤传感技术是在70年代末提出的，它是随着现在光纤工程中仍应用十分广泛的光时域反射（OTDR）技术的出现而发展起来的。在这十几年里，产生了一系列分布式光纤传感机理和测量系统，并在多个领域得以逐步应用。目前，这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。

分布式光纤传感器是采用独特的分布式光纤探测技术，对沿光纤传输路径上的空间分布和随时间变化信息进行测量或监控的传感器。利用光波在光纤中传输的特性，可沿光纤长度方向连续的传感被测量（如温度、压力、应力和应变等），光纤既是传感介质，又是被测量的传输介质。它将传感光纤沿场排布，可以同时获得被测场的空间分布和随时间的变化信息。

分布式光纤传感器有以下一些特点：

1）分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤；

2）一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测量的二维和三维分布情况；

3）系统的空间分辨力一般在米的量级，因而对被测量在更窄范围的变化一般只能观测其平均值；

4）系统的测量精度与空间分辨力一般存在相互制约关系；

5）检测信号一般较微弱，因而要求信号处理系统具有较高的信噪比；

6）由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描、相位的跟踪等处理，因而实现一次完整的测量需较长的时间。

由于光纤电缆不易被电磁干扰，因此，分布式光纤温度传感系统通常用于电力电缆热点区位的温度监控和测量。对恶劣环境的把握和管理以及改善野外作业环境需求是促进分布式光纤温度传感系统市场稳定增长的主要原因。同时，传感器电缆部署的技术难题也是这一市场发展面临的主要障碍。

随着应用越来越广泛，现在分布式光纤传感器主要用于6大领域，包括管道和近海石油平台等的结构检测；液体管道和大坝的渗漏探测；路面结冰探测、铁路监测；安全系统探测、电力电缆监视；光纤通信生产监测；环境监测和长期温度测量。

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