新型分布式光纖感測器：可快速檢測橋樑結構問題！

導讀

光纖，一般是用於信息通信。但是，你可能想不到，它還可以作為感測器，快速監測橋樑和水壩等建築的結構性問題。最近，瑞士和西班牙的科研人員開發出一條長達10千米的分布式光纖感測器系統，能感知100萬個點的溫度變化或者應變。

關鍵字

光纖、感測器

背景

光纖，簡單的說，一般由玻璃或者塑料製成的纖維，能夠傳導光，一般用於長距離的光通信系統。

為了讓大家有一個直觀的認識，通過下面兩張圖展示一下光纖電纜：

（圖片來源於：維基百科）

（圖片來源於：維基百科）

光纖用於光傳輸和信息通信，已經十分廣泛，且它特別是適合長距離通信，但是除此之外，光纖還有另外一種用途：感測器。

為什麼說光纖會具有感測功能呢？

原因很簡單，首先光纖是一種光波的傳輸介質，光波在光纖中傳輸時，由於外界因素（溫度、壓力、應變、振動、聲音、磁場等）的影響，光波的光學特性（振幅、相位、偏振態、波長等）會發生相應的變化。這樣，光纖就可以作為感測器，衡量和探測各種外界變化。

例如，John 之前介紹過一項日本的健康新科技，它利用空心光纖，傳導和分析呼吸氣體，監測人體健康。

（圖片來源於：東北大學）

創新

那麼今天，John 就要再給大家介紹一個有關光纖感測器的創新技術。

這是一種分布式的光纖感測器系統，它能夠感知長達10千米、感知點達100萬個、密度達1厘米1個點的溫度變化和應變情況。

所謂應變，是指在外力和非均勻溫度場等因素作用下物體局部的相對變形，表明有多少外界的力學應力作用於物體或者結構上。

這種監測是持續且快速的，採集數據的時間小於20分鐘。另外，更感知點眾多，也意味著用於檢測整個結構的光纖單元更少，簡化了系統，也降低了成本。

這項技術由來自西班牙阿爾卡拉大學和瑞士聯邦理工學院的研究人員聯合開發，主要研究人員有Alejandro
Dominguez-Lopez 等人，這項研究的論文發表於美國光學會（OSA）雜誌《光學快報》。

技術

接下來，從技術的角度觀察一下這項技術。首先看一下，我們簡單了解科研人員用到的實驗裝置的組成示意圖：

.

（圖片來源於：參考資料【2】）

為了便於看懂這張圖，簡單說明一下其中涉及的器件：激光二極體（LD）、電光調製器（EOM）、任意波形產生器（AWG）、摻鉺光纖放大器 （EDFA）、可變光衰減器（VOA）、偏振態綜合儀（P.Synth）、電氣開關（ES）、偏振開關（PS）、FUT（測試光纖）。

然後，再介紹一個十分重要的物理概念即：布里淵散射。

布里淵散射是法國物理學家和數學家布里淵於1922年提出的，它用於研究氣體，液體和固體中的聲學振動，但作為一種實用的研究手段，是在激光出現以後才發展起來的。

光波在光纖中，大部分是前向傳播的，但由於光纖的非結晶材料在微觀空間存在不均勻結構，有一小部分光會發生散射，其中有一種散射形式就是布里淵散射，它是光波與聲波在光纖中傳播時相互作用而產生的光散射過程，在不同的條件下，布里淵散射又分別以自發散射和受激散射兩種形式表現出來。

這種新型感測器主要利用了布里淵光時域分析技術，而這項技術正是基於布里淵散射。它需要脈衝式的、連續波的激光信號進行交互。

而研究人員發現傳統的方法，雖然也可以產生連續的信號，但是在較高的激光功率時，會引起系統中的畸變。

如果要避免這個問題，那麼就需要改變激光信號的生成方式，讓它們可以增加激光功率，從而提升系統性能。

對此，Dominguez-Lopez 說：

「我們研究了這種影響布里淵光時域感測器商用性能的有害效應，進行了糾正。如果製造商將我們的優化集成到他們的感測器中，將顯著提升其性能，特別是採集速度。」

應用

（圖片來源於：Duncan Rawlinson、Alejandro Dominguez-Lopez）

首先，這種光纖分布式感測器可用於建築物監控，例如監測橋樑的結構，輸油管道的泄露，鐵路的滑坡等等。這項技術的最大優勢在於，它不僅可用於嚴酷的環境中，而且感測器自身無需外部供電，所以可用於缺少能源供應的地方。

感測器的開發者 Alejandro
Dominguez-Lopez 這麼評價：

「基於光纖的感測器，能夠監測水壩垮塌之前，監測到它侵蝕或開裂的情況。較早的檢測問題，意味著可以防止情況變得更糟，或者提供更多時間用於疏散。」

另外，由於感知點的密度極高，達1厘米1個，所以這種感測器也可以用於航空航天，例如感知飛機機翼每英寸的狀況。

研究人員正在尋找方法，讓感測器的數據採集速度更快，從而減少採集時間。他們也在考慮增加感知點的密度，使其超過原有的每1厘米1個的密度。

這樣，它就有望應用於生物醫療領域。例如，利用光纖感測器檢測乳腺癌的溫度變化，對於這種類型的應用，重要的是，在更小的區域具有更多的感知點，而不是光纖的長度。

同時，這種光纖感測器還可以用於可穿戴設備和智能織物，幫助檢測人類的健康狀況，或者用於疾病判斷等方面。

參考資料

【1】http://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2017/new_fiber-based_sensor_could_quickly_detect_struct/

【2】A. Dominguez-Lopez, M.A. Soto, S. Martin-Lopez, L. Thevenaz, M. Gonzalez-Herraez 「Resolving 1 million sensing points in an optimized differential time-domain Brillouin sensor,」 Opt. Lett., Volume 42, Issue 10, 1903-1906 (2017).DOI: 10.1364/OL.42.001903.

需要進一步探討交流的朋友，請直接聯繫作者微信：JohnZh1984，或者微信關注公眾號：IntelligentThings。