研究生小白的实验室科研之路-浅谈分布式光纤传感

一、小白初进实验室

临近毕业之际，恰逢“第一届实验室光电产品征文大赛”，果断报名参加。想想研究生三年的科研生活都没有好好归纳和整理，正好逢此良机，大笔一挥，欲侃侃而谈。和许多研究生一样，研一的生活只是一个入门的过程，看看文献、报报账、上上公共课，顺便站在师兄师姐旁边打打杂，初步了解一下本方向的知识，加深对科学的奥妙。

真正接触到较为先进的科研领先技术是在研二的阶段。并且研二科研实验的研究对我逻辑思维的建立起到了一个关键性的作用。当初科研兼人生导师张老师给我定的方向为分布式光纤拉曼测温。初次接触，对光纤的认识还只是停留在上网网线这种初级阶段，心里想光纤还能测温，心里满是疑惑。但张老师和师兄们看到我疑惑的样子，微微一笑，对我说：“师弟，来给你演示一下，看一看咱们科研的魅力”。看到一段光纤被加热以后，仪器就可以瞬间检测出来，我对科研的好奇瞬间达到了顶点（师兄们演示的第一代样机如图1所示）。

        图1 第一代分布式光纤拉曼测温样机                图2 测温光纤在电力电缆上的应用

二、小白的第一次科研任务

分布式光纤拉曼测温技术是利用光纤的温敏特性，当光纤周围任何一处地点的温度发生变化时，光纤都能很快地感应到这种变化。光纤既能对釆空区内的温度进行采集，又能将采集的信息通过自身进行传输。由于光纤传感器是以光纤作为测量温度元件的，所以只要光纤能铺设到的地方，光纤行径上的所有温度情况都能被监测，这也就实现了分布式测量，且光纤的长度可以根据实际需要进行扩展。光纤的质量比较轻，铺设容易，温度测量误差一般不大于1℃，比传统的温度传感器的性价比更高。因此测温光纤也常常被用在电力电缆（如图2）、煤矿地下气化系统等领域来预防火灾的发生。

在分布式光纤传感的科研道路上，课题组首先交给我的任务是利用LabVIEW图形化处理软件设计一款第二代上位机系统。我也终于成功的走上了程序员之路。现在我也终于理解了老师们常说的那句话“兴趣是科研最好的老师”。当初，在开发上位机的系统事，常常是八点到实验室低头开始编程序，在抬头的时候已经是中午十二点，吃过饭以后小休息一会，低头继续编程序，在抬头的时候已经是晚饭了。就这样的日子过了一个月以后，一款由我自主研发的第二代上位机系统诞生了，如图3所示。

                                 图3 基于LabVIEW的上位机软件

三、小白对光纤传感的进一步探究

经过研一一年的了解和知识积淀，我和课题组的伙伴们自行研发了一套新型的分布式光纤拉曼温度解调方法，具体的是一种自补偿光纤色散和衰减的温度解调方法。解决了光纤色散对测温精度的影响，提高了系统的测温精度。解决了光线衰减对温度解调的影响，省略了测温前的定标过程（张明江, 李健, 刘毅,等. 面向分布式光纤拉曼测温的新型温度解调方法[J]. 中国激光, 2017(3):213-220.）。并且本篇论文被《中国激光》杂志社评为第三期优秀论文（http://www.opticsjournal.net/Journals/zgjg.htm?action=post&oid=PT170310000226jQmTp）。 图4和图5为《中国激光》官网宣传截图和全体作者。

           图4 《中国激光》官网截图                      图5 全体作者合影

另外为了延长系统的传感距离和提高系统的测温精度，我们设计了一种动态噪声差分算法，并将小波模极大值去噪运用于拉曼系统中，相关实验结果已发表在Photonic Sensors中（题目为：Performance Improvement of Raman Distributed Temperature System by Using Noise Suppression）。图6为部分实验结果图。

图6 测温结果图

四、光纤传感成就未来

回想三年对光纤传感的研究，可能对光纤传感的认知还没有入门或者刚刚踏进门的边缘。但是还是非常怀念在实验室中的这段时光，它培养了我的逻辑思维能力，也锻炼了我的手动能力。正是由于我这段精彩的实验室时光让我找到了一份不错的工作，所以光纤传感造就了我一段新的人生旅途。执笔之际，最后祝愿各位科研工作者事事顺利。（最后以作者在工程实验室实验结照尾吧。）

图7 工程现场光纤传感试验