分布式光纤传感技术利用传感光纤作为传感元件和传输介质，探测沿光纤方向不同位置处的光信号特征，实现应变场、温度场和振动场的分布式测量。由于其耐高温、抗干扰、抗辐射等特性，分布式光纤传感技术被广泛应用于桥梁大坝、公路隧道、电力电网等国家重大基础设施的安全监测领域。
图1 分布式光纤传感技术的典型应用场景
研究背景
近年来，分布式光纤传感系统由于其能在传感光纤沿线周围监测环境量的空间分布而受到越来越多研究人员的关注。其中，由于自发拉曼散射仅对温度这单一物理量敏感，因此拉曼分布式光纤传感系统被广泛应用于对基础设施温度信号的实时监测和预警。然而拉曼散射信号的低信噪比严重限制了该技术在长传感距离上的进一步应用。为解决拉曼分布式光纤传感系统的低信噪比问题，进而提高系统的传感距离，众多信噪比优化方案被用于拉曼分布式光纤传感系统。主要分为算法去噪方案、脉冲编码方案、瑞利光学噪声抑制方案、定标噪声抑制方案及特种光纤传感方案。随着数字信号处理技术的发展，拉曼分布式光纤传感系统采用了多种优秀的算法来进行去噪，如小波去噪算法和动态采样校正方案等。小波去噪算法能够有效地分离信号和噪声，在去除噪声的同时，保留信号中的有用信息，因此在分布式信号的去噪方面得到了广泛的应用。脉冲编码方案对探测信号进行编码和调制，从而在不发生非线性效应的情况下提高进入传感光纤的光功率。瑞利光学噪声抑制方案通过滤除拉曼分布式光纤传感系统中积累的大量瑞利后向散射光来提高系统的信噪比。定标噪声抑制方案通过抑制校准过程中大量被掺杂到采集的拉曼信号通道中的系统噪声来提高系统的信噪比。特种光纤传感方案利用特种光纤作为传感元件，实现对各种物理量的高精度、高灵敏度测量。该方案包括少模光纤、低水峰光纤和钇铝石榴石光纤传感等。
此外，在工程应用中，大型基础设施的传感光缆铺设通常采用U型或希尔伯特型分布，需要铺设的光纤长度数倍长于设施长度，尽管非常多优秀的去噪技术被应用到拉曼分布式光纤传感系统中，但在米量级空间分辨率的基础上，传感距离仍难以突破30 km。因此，太原理工大学提出了一种强自相关性脉冲编码方案，将具有自相关特性的格雷(Golay)互补序列引入到拉曼分布式光纤传感技术中，通过对拉曼后向散射信号进行解析与重构，恢复格雷互补序列被掺铒光纤放大器所破坏的自相关性，实现了100 km的传感距离和1 m的空间分辨率，为长距离拉曼分布式光纤传感系统的研究提供了一种新的解决方案。
主要内容
为进一步提升拉曼分布式光纤传感系统的性能，太原理工大学李健和张明江课题组提出了一种强自相关性脉冲编码方案，该技术将基于格雷互补序列调制的脉冲激光作为拉曼分布式光纤传感系统的探测信号，同时通过对拉曼后向散射信号进行解析与波形重构，用于恢复编码脉冲与拉曼后向散射信号之间的相关性，最终实现对温度变化区域的精准识别和定位。
由于掺铒光纤放大器的瞬态效应的影响，探测信号的时序会发生畸变，如图2(a)所示，基于格雷互补序列编码的探测信号与拉曼后向散射信号之间的相关特性会遭到破坏，从而恶化了系统的信噪比。强自相关性脉冲编码方案在解码前增添预处理阶段，从而对拉曼后向散射信号进行解析与波形重构，恢复探测信号与拉曼后向散射信号之间的相关特性，图2(b)展示了基于强自相关性脉冲编码方案的温度解调结果，相较于传统单脉冲方案，基于强自相关性脉冲编码方案的温度不确定度显著减小，且解调后得到温度解调曲线准确识别了温度变化区域的温度及位置信息，验证了强自相关性脉冲编码方案温度解调及定位识别的准确性。
图2 (a)受到瞬态效应前后的探测脉冲信号时序；(b)基于强自相关性脉冲编码的温度解调与定位结果
为量化强自相关性脉冲编码方案相较于传统单脉冲方案的性能提升，进一步分析了系统的温度分辨率，如图3(a)所示，在光纤尾端，单脉冲方案的温度分辨率为22.69 ℃，强自相关性脉冲编码方案的温度分辨率为4.12 ℃，提升幅度约为5.51倍。同时为验证基于强自相关性脉冲编码方案的拉曼分布式光纤传感系统的空间分辨率，在光纤尾端设置一个长度为1 m的温度变化区域，温度设置为80 ℃，温度解调结果如图3(b)所示。对于较小长度的温度变化区域，若系统可以准确解调出该区域的温度，即可证明系统空间分辨率为温度变化区域对应的空间长度。可以看到，系统可以在光纤尾端准确解调出温度变化区域的温度，验证了系统的空间分辨率为1 m。
图3 (a)基于传统单脉冲方案和强自相关性脉冲编码方案的温度分辨率；(b)基于强自相关性脉冲编码的空间分辨率
结论
提出了一种基于强自相关性脉冲编码方案的拉曼分布式光纤传感技术，提升了系统的信噪比，在高空间分辨率的基础上实现了长传感距离。基于强自相关性脉冲编码方案的拉曼分布式光纤传感系统，在不发生非线性效应的情况下，大幅提升耦合进传感光纤的光功率，同时抑制了瞬态效应对探测信号与拉曼后向散射信号之间相关性的破坏，提高了长传感距离下系统的信噪比。此外，通过数值模拟实验验证了强自相关性编码方案的正确性，实现了对温度变化区域的温度及定位的精准识别，最终在数值模拟实验中实现了100 km的传感距离、1 m的空间分辨率及4.12 ℃的温度分辨率，为长距离拉曼分布式光纤传感系统的发展提供了新的研究思路。
未来，课题组会进一步探究该方案对拉曼分布式光纤传感系统的性能提升。对于该方案而言，编码序列的码长越长，瞬态效应越明显，该方案的性能提升越大。因此我们会进一步提高编码序列的码长，不仅可以获得更高的编码增益，还可以更好体现该方案的优势。同时，我们会在该方案的基础上进一步结合更多优秀的去噪算法，为长距离拉曼分布式光纤传感的研究提供一种新的解决方案。
团队介绍
张帆（第一作者）
张帆，太原理工大学硕士研究生，研究方向为拉曼分布式光纤传感，公开中国发明专利3项，作为第三负责人获第九届、第十届山西省“互联网+”大学生创新创业大赛省级银奖，参与国家自然科学基金及国家重点研发计划等多个项目。
李健（通讯作者）
李健，太原理工大学教授，博士生导师，中国科协青年人才托举工程，三晋英才青年拔尖人才，兼任《红外与激光工程》、《中国测试》、《光电融合》青年编委，致力于混沌拉曼分布式光纤传感研究，研究成果获中国十大光学产业技术。先后主持国家、省部级项目10 项，在《Light：Science &Applications》、《Photonics Research》、《红外与激光工程》等期刊发表学术论文30余篇，第一发明人授权中国发明专利12 项、美国专利2项，以第一完成人获中国光学工程学会技术发明二等奖1项、中国仪器仪表学会科学技术奖技术发明二等奖1项、中国仪器仪表学会金国藩青年学子奖、中国光学学会优博论文提名奖等科技奖励。
张明江（团队负责人）
张明江，太原理工大学物理与光电工程学院院长，教授，博士生导师，精密测量物理山西省重点实验室主任，国家高层次人才，山西省学术技术带头人、青年三晋学者。以第一/通讯作者在 Light 等期刊发表SCI论文100余篇，出版学术专著2部，授权美国专利4项、中国发明专利 100多项。先后主持国家重点研发计划项目、国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金联合基金重点项目、国防科技创新特区项目等课题，获省部级一、二等奖 6 项。
文章信息
张帆, 李健, 李璐磊, 等. 面向长距离拉曼分布式光纤传感的强自相关性脉冲编码技术分析(特邀)．红外与激光工程, 2025, 54(4): 20240582. DOI: 10.3788/IRLA20240582
全文链接：http://irla.cn/article/doi/10.3788/IRLA20240582（阅读原文）