导读

近日，来自太原理工大学的李健教授和张明江教授团队以“45 km ROTDR with 0.5 m/0.11 °C via complex-domain square-wave width-chirp pulse compression”为题在《Light: Science & Applications》发文。该论文围绕拉曼光时域反射分布式光纤传感系统中传感距离、空间分辨率与温度精度难以同时提升的核心瓶颈，提出了一种复数域方波宽度啁啾脉冲压缩的新型拉曼分布式光纤传感方法。该方案通过方波宽度啁啾探测脉冲、复数域匹配滤波和复数域包络提取去噪，实现了数十公里的传感距离、亚米级空间分辨率和亚摄氏度温度精度，为超长距离、高空间分辨率、高精度分布式温度测量提供了新的研究思路和技术路径。

研究背景

在信息时代，智能传感器已成为获取自然和人造环境数据的必备工具。其中，拉曼光时域反射（ROTDR）技术基于自发拉曼散射效应，凭借其对温度的专属敏感性、长距离覆盖、本质安全以及抗电磁干扰等显著优势，在基础设施健康诊断、火灾预警以及油气管道监测等领域发挥着不可替代的作用。

拉曼光时域反射分布式温度传感技术主要基于光纤中的自发拉曼散射效应和光时域反射定位原理，可实现光纤沿线温度场的全分布式测量。空间分辨率、传感距离和温度精度是评价该类系统性能的三个关键指标。然而，在传统ROTDR系统中，空间分辨率直接受探测光脉冲宽度限制。若缩短脉冲宽度以提升空间分辨率，注入光纤的脉冲能量将显著降低，导致后向拉曼散射信号信噪比下降，进而牺牲传感距离和温度测量精度；若增加脉冲宽度以提高信噪比和传感距离，则会降低系统空间分辨率。

因此，如何突破传统方案中光源脉宽对空间分辨率的物理限制，实现长距离、高分辨率和高温度精度的协同提升，是拉曼分布式光纤传感领域长期面临的关键科学与技术问题。针对这一瓶颈，太原理工大学团队提出了复数域方波宽度啁啾脉冲压缩拉曼分布式光纤传感技术，为解决ROTDR系统性能三者难以兼顾的问题提供了新的方案。

创新研究

方波宽度啁啾探测脉冲该团队提出了一种基于复数域方波宽度啁啾脉冲压缩的拉曼分布式光纤传感新方案。不同于传统ROTDR系统直接利用单一脉冲宽度进行时域定位，该方案将啁啾信号的瞬时频率演化编码为方波子脉冲宽度的单调变化，构建出具有陡峭边沿和丰富高阶奇次谐波成分的方波宽度啁啾探测脉冲。随后，系统利用希尔伯特变换将实值拉曼散射信号转换为复数解析信号，并在复数域中进行匹配滤波，实现探测脉冲的压缩与远端弱信号能量聚焦。

图1：方波宽度啁啾信号的性质（a）正弦啁啾和方波宽度啁啾探测信号的时序（b）正弦啁啾和方波宽度啁啾信号的δ脉冲半高全宽（c）实验产生的方波宽度啁啾信号的时序（d）实验产生的方波宽度啁啾信号的δ脉冲

复数域匹配滤波

在物理机制上，复数域匹配滤波相当于利用与探测信号共轭时间反转的匹配滤波器，对后向拉曼散射信号进行脉冲压缩，使传感过程由原探测脉冲的拉曼散射响应转化为近似δ脉冲的拉曼散射响应。此时，系统空间分辨率不再由原始探测脉冲持续时间决定，而由压缩δ脉冲的半高全宽决定，从而打破了传统ROTDR空间分辨率受光源脉宽限制的瓶颈。并且，复数域匹配滤波的时间反转性质可以有效聚焦远端拉曼散射的能量，提升远端弱拉曼散射信号的可检测性，从而提升传感距离。

复数域包络去噪

该团队进一步提出了复数域包络提取去噪方法。该方法通过提取复数域压缩拉曼信号的幅值包络，有效分离和抑制相位噪声引起的温度解调波动，在保持信号幅值信息的同时提升温度解调稳定性。实验结果表明，复数域匹配滤波与复数域包络提取去噪共同作用，使系统在远距离传感条件下仍能保持高精度温度测量能力。

图2：该方案实现性能协同提升的原理

在实验验证中，研究团队搭建了长距离单模光纤拉曼分布式温度传感系统，并将所提出的复数域方波宽度啁啾脉冲压缩方案与传统单脉冲探测方案进行了系统对比。结果表明，传统窄脉冲方案虽然有利于提升空间分辨能力，但由于脉冲能量有限，在长距离传感场景下容易受到信噪比不足的制约；传统长脉冲方案虽可提高散射信号强度并支撑远距离测量，但会导致空间分辨率下降，难以准确识别局部温度变化。相比之下，所提出的复数域方波宽度啁啾脉冲压缩方案在保持较高入纤能量和远距离探测能力的同时，通过复数域匹配滤波将拉曼散射由宽脉冲响应压缩为窄δ脉冲响应，从而显著提升了系统对短尺度温度事件的分辨能力。

更重要的是，该方案实现了传感距离、空间分辨率和温度测量精度的同步提升。实验结果表明，复数域方波宽度啁啾脉冲压缩不仅能够突破传统脉冲宽度对空间分辨率的限制，还可以通过匹配滤波和复数域去噪增强远端弱拉曼信号的可探测性，从而解决了传统ROTDR系统中“距离、分辨率和精度难以兼顾”的矛盾。该方法也为布里渊、瑞利等其他散射型分布式光纤传感系统的性能提升提供了可借鉴的技术框架。

总结与展望

总体而言，该研究提出的复数域方波宽度啁啾脉冲压缩技术突破了传统ROTDR系统中光源脉宽对空间分辨率的物理限制，实现了超长距离、高空间分辨率和高温度精度的统一，为复杂工程环境下的大范围精密温度场测量提供了新的技术支撑，也为分布式光纤传感向多参数、高维度和高性能方向发展开辟了新的研究方向。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02245-1