科技日报记者 韩荣
在幽深的千米隧道、横跨海湾的特大桥梁，乃至绵延千里的油气管道中，哪怕只有半米长的地方温度异常，如何第一时间精准捕捉？近日，太原理工大学物理与光电工程学院李健教授、张明江教授团队在分布式光纤传感领域取得重大突破，相关成果发表于《光：科学与应用》。
该研究提出的“复数域方波宽度啁啾脉冲压缩”新技术，成功打破了分布式光纤测温领域的“魔咒”，实现了45公里超远距离下，0.5米的定位精度和0.11摄氏度的测温精度。这意味着，一根普通的光纤，如今变成了一条能感知细微变化的“超级神经”，为大型基础设施装上了全天候的“安全卫士”。
打破“尺子”悖论，给光纤装上“高清透视眼”
分布式光纤温度传感器常被称为工程的“神经末梢”。它利用激光在光纤中传输时的特殊物理效应，不仅能感知温度，还能像雷达一样精准定位。由于光纤本身不带电、不怕腐蚀、抗电磁干扰，它已成为油气管线、特高压电缆和城市管廊监测的标配。
然而，长期以来，这项技术面临着一个难以解决的“悖论”：要想看得细，就得用短脉冲激光，但这会导致信号太弱，看不远；要想看得远，就得用长脉冲激光，但这又会导致“视觉模糊”，看不清小范围的故障点。这就好比用一把尺子去量东西，尺子上的刻度越密，量得越准，但如果尺子太短，就量不了长距离的东西。
“传统技术就像是用一把既要有足够长度、又要刻满细密刻度的尺子，这在物理上很难做到两全。”张明江教授解释道，“我们的新方法，就是要把‘尺子的长度’和‘刻度的密度’分开处理。”
为此，研究团队发明了一种特殊的“编码脉冲”。他们不再单纯依靠缩短脉冲来提高精度，而是给脉冲加上了独特的“纹理”——方波宽度啁啾。随后，团队利用先进的复数域信号处理算法，对这种脉冲进行“压缩”处理。实验证明，经过这种“压缩”处理后，系统的分辨率不再受限于脉冲的原始长度，而是由压缩后的尖峰宽度决定。这一创新，相当于在不损失探测距离的前提下，给光纤系统装上了一个“高清透视眼”。
滤除环境杂音，实现“隔墙听音”般精准
突破了“看得细”的难关后，如何在复杂的长距离环境中“听得清”，是另一大挑战。在45公里的传输过程中，有用的温度信号极其微弱，很容易被各种环境噪声淹没，导致测温数据出现波动。
针对这一问题，研究团队在算法上再次发力，提出了“复数域包络提取去噪”方法。如果把探测信号比作一段音乐，那么噪声就是刺耳的杂音。该方法能够智能地提取音乐的“旋律轮廓”（包络），过滤掉杂乱的“嘶嘶”声。这种“去伪存真”的能力，让系统在强噪声背景下依然能稳定地读取精确的温度值。
为了检验实战效果，团队搭建了长达45公里的测试系统。对比结果显示，传统方法要么“近视”，看不清远处；要么“老花”，分辨不出细节。而太原理工大学的新方案则表现出了全能的优异性能：既能覆盖45公里的超长距离，又能精准锁定0.5米范围内的微小温升，测温误差仅为0.11摄氏度。
业内专家认为，这一成果标志着我国在高端分布式光纤传感技术领域迈出了关键一步。该技术的应用场景极为广阔，未来可广泛应用于长输管线泄漏监测、高铁通信线缆防火、大型数据中心温控管理等领域，为国家重大工程的安全运行提供坚实的“光感”保障。
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