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“一米幾分錢的光纖鋪到哪里，我們就可以感知到哪里，空間更大，距離更長，精度就要求更高，感知哪一類數(shù)據(jù)的范圍也會不斷擴展，基于混沌激光的分布式光纖傳感器像是米尺和卷尺的結合，有長度更有精度，幫助我們探測世界”，太原理工大學物理學院教授張明江介紹道。

不遠的將來，空間站和機翼的形變、極地冰架的溫度、水壩橋梁隧道的裂紋、半導體器件的載流子、礦井下的聲音和溫度，甚至人體臟器器官的癌變都可以通過鋪設一層感知“神經(jīng)”——光纖，來收集海量數(shù)據(jù)，包括溫度、應力、振動、氣體液體濃度等，這一切都源于分布式光纖傳感原創(chuàng)技術的大幅度推進，源于張明江團隊20余年的探索追尋。

近日，太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室和物理學院研發(fā)的一種新型拉曼分布式光纖溫度傳感技術，能在千米級的傳感距離上實現(xiàn)厘米級的空間分辨率，最佳空間分辨率較世界最先進水平提高十倍以上。該成果以《拉曼分布式光纖傳感的物理與應用》和《混沌拉曼分布式光纖傳感》先后刊登在《自然》子刊《光：科學與應用》。前一篇論文在刊登不到一年半的時間里，已成為ESI高被引論文，且被引頻次已進入物理學術領域最優(yōu)秀的1%之列。張明江、電子信息與光學工程學院副教授李健為論文通訊作者。

兩位通訊作者也是師徒，老師張明江（左）獲得全國百強優(yōu)秀導師，

學生李?。ㄓ遥┇@得全國光學與光學工程博士生學術聯(lián)賽優(yōu)秀獎。受訪者供圖

十年一“件”

2個月前，中國第40次南極科考隊出征在即，科考隊中兩名太原理工大學博士，專門來到張明江的實驗室借走了一臺分布式光纖傳感器，用于中國北方機場跑道溫度和南極冰蓋溫度監(jiān)測。傳感器外形酷似家用電腦主機，內含一臺混沌激光發(fā)射器、接收卡等自研精密儀器，外設光纖接口，只要把光纖鋪設在被觀測物體表面，傳感器就能發(fā)出并回收激光，并經(jīng)過一系列復雜運算把光信號精確轉換為溫度、應力、振動等物理量。

“該新型傳感器的研發(fā)基于我們對其光源——混沌激光連續(xù)多年的研發(fā)，而能夠研發(fā)這種激光儀器的國內僅有3、4家，我們最先將混沌激光與光纖傳感器進行結合，研制出的設備方便攜帶、操作簡單，由于單位是高校原因不能售賣，我們就借給需要的同行，以此進一步推廣我們團隊的最新研究成果?！痹趶埫鹘膶嶒炇依铮瑒倓倧拿旱V井底工作回來的光纖傳感器還沒來得及擦去機殼上的灰塵。

此混沌非彼混沌?，F(xiàn)代混沌理論起始于20世紀60年代氣象學家愛德華·洛倫茨在天氣預測研究中發(fā)現(xiàn)的“蝴蝶效應”。經(jīng)過60年的研究，混沌理論在數(shù)學、物理、天文學、化學、社會學等取得了長足發(fā)展，特別是與先進的光學、光電子學結合,在保密光通信、激光雷達、傳感等應用領域孕育了一系列變革性光學技術。

“混沌激光概念的誕生在20世紀90年代，直到21世紀初，科學家們才發(fā)現(xiàn)混沌激光在保密通信、隨機數(shù)產(chǎn)生、激光雷達作用上有著不可替代的作用。”2003年開始，張明江團隊從零起步摸索混沌激光器的制備，如今已經(jīng)是國內可以獨自研發(fā)該激光器的數(shù)家單位之一。

“混沌激光器沒有任何一個國家會公開出售?！被ㄙM10年時間才站在了這條起跑線，張明江擁有了金剛鉆，可以自主決定攬哪個瓷器活。

“亂”中取勝

思前想后，張明江鄭重決定開辟的一個無人踏足的領域，一個在科研和工程上有重大價值的課題，在傳統(tǒng)脈沖激光作為光源的光纖傳感器上，嘗試引入混沌激光作為光源，并走向原有技術難以達到的新邊界。

選擇新方向意味著在未知的一段時間里需要持續(xù)投入更多的精力、人力，甚至可能要面臨拆東墻補西墻的窘迫?！皬哪X子的設想和概念到如今批量的產(chǎn)品，我們花了11年時間?！睆埫鹘诨煦缂す鉃榛A的光纖傳感器上投入不亞于豪賭一把。

“風險來自混沌激光并不被人看好，”張明江介紹道，“對于光纖傳感器來說，換個光源，從脈沖激光變?yōu)榛煦缂す馐且环N翻天覆地的變化，且基于完全不同的科學原理，和傳統(tǒng)儀器相比完全是兩種類型的儀器。”

脈沖激光時序波形規(guī)律起伏，混沌激光的時序波形呈現(xiàn)類噪聲特性。傳統(tǒng)脈沖激光在光纖傳感器中就受制于它的脈沖寬度，脈沖寬度越窄，它的空間分辨率越好，但是伴生而出的是信噪比加大，類似于信號中的“雜質”“噪音”，兩者相互矛盾，難以兼得。

新光纖傳感器的特點是寬光譜，脈沖時序毫無規(guī)律且幅度極大，理論上，給空間分辨率的提高增加了很大的難度。

“認識到難題后，我們從一開始就在紙面上的驗算開始，在理論設計上反復琢磨，在仿真模擬中花了一年多時間，從原理上解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)空間分辨率受脈寬的限制”，李健介紹道。

當混沌激光與光纖傳感器成功結合之后，突破了傳統(tǒng)光纖傳感器的性能邊界。傳統(tǒng)光纖傳感器上，一公里內的光纖內，只能定位到米量級的數(shù)據(jù)，大約會產(chǎn)生1000個數(shù)據(jù)。而新傳感器可以抓取光纖上在每厘米的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生10萬個數(shù)據(jù)，提升了2個數(shù)量級。

提出問題難于攻克問題

光纖是神經(jīng)，激光是感知手段，那么解調儀就是處理信息的“大腦”。

混沌激光入射進入光纖中，光傳播時產(chǎn)生的后向散射光來獲取光纖沿線的光時序、光頻率和光相位等信息，然后該信息又被原路收集回到傳感器采集卡。光走過一公里花費極短的時間，卻能產(chǎn)生最少20萬個數(shù)據(jù)，復雜的曲線、雜亂的信號意味著解碼難，數(shù)據(jù)處理量極大。張明江團隊獨家研制了時空壓縮調制解調儀，使用了邊緣計算等最新的計算機技術，實現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)整理和強力解碼。

實驗臺上復雜的布線。攝影 李清波

分布式光纖傳感器分為瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射三個方向?！懊總€方向都是一座需要翻越的大山，在這三個方向都要作出不同的傳感器?！睆埫鹘忉尩馈?/p>

知之愈明，行之愈篤。從2012年提出設想，到2023年發(fā)表的高被引論文，張明江團隊完成了理論的創(chuàng)新，三個研究方向的突破，以及設備研發(fā)成熟可用、小型化以及量產(chǎn)。

其實早在剛起步階段，張明江就背負極大的壓力，早有專家指出，拉曼散射方向的研究如果沒有完全徹底的改進，基本就到了死胡同，沒什么前途。

所以，張明江為了準備切入這個新賽道，給課題組的學生安排了不同的任務，首先就是讀文獻。

2015年，李健成為張明江的碩士研究生，從新課題的起步階段就在持續(xù)跟進。張明江回憶自己的學生，他第一年看的文獻相當于普通學生閱讀量的50倍以上。張明江給他的要求是不僅要讀懂，還要讀出這篇文章的缺陷在哪里，以此鍛煉學術思維能力。

在研發(fā)進展到了將混沌激光與拉曼散射方向結合起來時，李健博士一年級在讀，“當時給自己立了個目標，2個月內要把當時把相關領域的全部碩博論文讀完，理解國內發(fā)展方向和達到的水平，以大量文獻閱讀為礎，才有后來的靈光乍現(xiàn)，否則談靈感只是空談。”

李健從讀書到入職張明江教授課題組，已經(jīng)在這個方向研究了8年，談及研究難度，他表示，“遇到困難的時候每一天其實都挺煎熬，但是也很享受這種過程，希望被人在談起分布式光纖傳感領域時，可以聯(lián)想到自己的名字”。在2021年，《中國研究生》曾經(jīng)報道過李健，稱他為“為國筑器的科研追光者”。

李健認為，最大的困難是導師最開始‘提出科學問題’的那一刻，因為并不是所有的問題都可以成為‘科學問題’。

最近，張明江的腦海里又誕生了更深層次的科學問題，未來三年，他們承擔了一項科技部重點研發(fā)計劃“基礎科研條件與重大科學儀器設備研發(fā)”重點專項，研制一種可以應用在生命科學、空天科學、地質科學領域的光纖頻域反射測量儀。

張明江介紹，“這是一款以混沌激光為光源的高精尖科學測量儀器，我們的目標是比當前的最先進的光纖傳感器還要靈敏十倍，鋪設長度提高十倍，在溫度場、應變場之外，再新增振動場、磁場、倏逝場三個物理場，大到海底光纜狀態(tài)、礦區(qū)塌陷變化、小到電網(wǎng)磁場、體內腫瘤標志物都可以觀測到?！?/p>

一把優(yōu)秀的“尺”將不僅是的測量工具，還是大科研、大工程、大設備必不可少的好幫手。

來源：科學網(wǎng)

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