近期，哈尔滨工业大学董永康教授团队在超快分布式光纤传感技术方面取得了重大进展。在多年研究布里渊光时域分析（BOTDA）技术的基础上，该团队提出以光学啁啾链代替传统单频率连续光作为探测光，从而超快地获得沿光纤分布的应变和温度等信息，在实验中实现了高达6.25 MHz的分布式采样率。

光纤既是一种抗电磁干扰、耐腐蚀和低损耗的长距离传光介质，又是一种分布了高达百万个传感点的串行传感器。这种分布式光纤传感器在空间上实现了长距离连续的环境信息（例如温度和应变）测量，具有传统点式传感器不可比拟的优势。它可广泛应用于人体或机器人动作捕捉，航空、航天飞行器部件健康监测，大坝、能源管道线路和铁路桥梁等大型设施的健康监测，以及地震、山体滑坡等地质灾害的预警等领域。传统的BOTDA系统是基于“泵浦-探测”方案实现的，通常，一个高频的方波脉冲型泵浦光和一束低频的单频率连续探测光从传感光纤两端注入，由于受激布里渊散射效应，当二者的频率差接近光纤的布里渊频移时，泵浦脉冲光的部分能量会转移给探测光（即布里渊信号）。根据泵浦脉冲光的渡越时间可以在布里渊信号上确定位置信息，即实现分布式测量；再对探测光进行频率扫描可以获得含有环境信息的分布式布里渊增益谱（BGS）。但是，这个频率扫描过程是十分耗时的（通常在数十秒到数十分钟），极大地限制了系统的分布式采样率。

董永康教授团队提出了一种利用光学啁啾链替代传统单频率连续光作为探测光的超快分布式BOTDA系统。操作原理如图1所示，左侧输入的泵浦光仍为脉冲光，而右侧输入的探测光被调制为光学啁啾链。每个光学啁啾段相当于将传统的扫频过程在时间上压缩到数十纳秒量级（对应空间分辨率为数米），然后，多个较短的光学啁啾段首尾串联而成光学啁啾链。光学啁啾链的实施方案：首先将啁啾链的波形预先编写入一台高性能的任意波形发生器的内存中，这样，在输出电学啁啾链时，就可以避免费时的频率切换过程；然后，电学啁啾链驱动电光调制器输出双边带型光学啁啾链；最后，下边带的光学啁啾链通过光纤布拉格光栅滤出作为探测光。当泵浦脉冲光在传感光纤中和每个光学啁啾段依次相遇后，由于受激布里渊散射作用，每个啁啾段内都会显现出一个布里渊增益谱。该方法可以有效地避免扫频过程，只需单次输入泵浦脉冲光即可获得分布式的环境信息，使得系统的最大分布式采样率理论上只受限于光纤长度。另外，应变或温度等环境信息的动态测量范围可以通过调节啁啾量来改变。

图1 超快测量的原理。泵浦光为脉冲光，探测光为光学啁啾链，由于受激布里渊散射作用，每个啁啾段内都会显现出一个包含了本地环境信息（如温度或应变）的增益谱。BGS：布里渊增益谱；Chirp：光学啁啾段；OCC：光学啁啾链。

实验中，在空间分辨率为2 m的情况下，实现了对三种不同类型振动的测量及模拟：图2（A）是一组振动频率为31.8 Hz的常规机械振动的实验结果，对应的分布式采样率为25 kHz，该测量适用大型动态设施（如飞行器和风力发电机叶片）的实时健康监测；图2（B）是一组过渡时间约为250 μs的快速冲击过程的实验结果，对应的分布式采样率为2.5 MHz，该测量适用于撞击、爆炸和快速化学反应等冲击过程的数据采集；图2（C）是一组模拟超快的开关切变事件的实验结果，对应的分布式采样率为6.25 MHz，验证了该系统单次测量的时间最快可缩减至纳秒量级，这是目前已知的国际最好指标。

图2 超快测量结果：（A）周期性机械振动的测量，左上图为振动位置的布里渊增益谱随时间变化趋势，左下图为未受振动位置的布里渊增益谱随时间变化趋势，右图为振动位置的应变变化曲线；（B）机械冲击测量，左图为冲击位置布里渊增益谱随时间变化的趋势，右图为冲击位置的应变变化曲线；（C）开关事件的模拟，左上图为平均200次后的布里渊增益谱随时间变化趋势，左下图为采样模式的布里渊增益谱随时间变化趋势，右图为二者布里渊频移改变量在时间上的分布。

目前，哈尔滨工业大学董永康教授团队同加拿大渥太华大学的国际著名光纤传感专家鲍晓毅院士及其课题组开展了广泛的合作。该团队承担了国家重大科学仪器设备开发专项“分布式光纤应变监测仪”（2017年立项，总经费4100万）和国家自然科学基金等纵向项目10余项。同时，该团队积极促进科研成果产业化，针对不同的应用领域，已开发出多个系列的高性能光纤传感仪器，仪器已经应用在高速铁路监测、海底高压输电线监测、山体滑坡监测和航空航天设备诊断等诸多领域。

超快分布式测量的研究成果发表在Light: Science and Applications [7, 32(2018)]上，题目为Single-shot BOTDA based on an optical chirp chain probe wave for distributed ultra-fast measurement，论文的第一作者是哈尔滨工业大学博士生周登望,通信作者是董永康教授，第一作者和通信作者的单位都是哈尔滨工业大学。相关工作由国家重点科研仪器设备开发项目(2017YFF0108700)和国家自然科学基金(61575052)资助。

相关论文链接： https://www.nature.com/articles/s41377-018-0030-0#author-information

成果转化链接： http://www.realphotonics.com/index.html