日本芝浦工业大学工学部的Heeyoung LEE副教授（光波传感研究室）与横滨国立大学研究生院工学研究院与综合学术高等研究院的水野洋辅副教授等人的研究团队于4月8日，通过沿光纤测量应变（伸缩）与温度分布的光纤传感技术，在反射型测量方式的布里渊光相关域反射计（BOCDR）路线上，实现了突破以往极限的世界最高的6毫米空间分辨率，并在全球首次成功检测出1厘米以下的7毫米区间内的温度变化分布。相关研究成果已发表在光通信与光传感领域的国际学术期刊《Journal of Lightwave Technology》上。
图1. 基于布里渊光相关域反射计（BOCDR）的分布测量原理。利用向光纤中注入的激光所产生的布里渊散射，在光纤中的选定位置测量温度和应变。通过控制激光的频率，可以沿光纤移动测量位置，从而实现分布式测量。（供图：横滨国立大学）
图2. 空间分辨率为6毫米的分布式温度测量实验结果。结果显示，检测到了在光纤中极短区间（7毫米）内发生的温度变化。在反射式测量方式下，实现了世界最高的6毫米空间分辨率，从而能够清晰分辨以往难以区分的1厘米以下的温度变化。（供图：横滨国立大学）
随着日本经济高速增长期建设的桥梁、隧道等基建设施日趋老化，光纤传感作为一种持续监测此类结构物安全性的方法而备受关注。这是因为，通过沿结构物敷设光纤，能够在长距离范围内以分布形式测量应变与温度的变化。
此类分布测量利用的是光纤中产生的被称为布里渊散射的现象。在该散射过程中，散射光的频率会发生微小变化，根据这一变化量即可推算出应变与温度。
水野副教授表示，在这类技术中，尤以本次采用的“BOCDR”具备捕捉毫米级细微变化的潜力，只需从光纤一端注入光即可工作，因此布设自由度高，即使光纤中途断线也易于继续测量，且由于结构简单，在成本方面也具有优势。
BOCDR中通过对激光进行频率调制来控制测量位置。调制速度（调制频率）越高，可获得的空间分辨率就越精细。
然而，布里渊散射本身具有固有的频率宽度（布里渊带宽），当使用接近或超过这一带宽的调制频率时，测量信号中便会产生周期性波动，难以准确求出温度和应变，这曾是实用化所面临的障碍。
因此，在利用布里渊散射的分布型传感中，此前的主流空间分辨率一般为数十厘米（至多不过数厘米）。尽管以往也有向毫米级分辨率接近的尝试，但大多因使用特殊光纤或装置使得结构复杂，在实用层面仍留有诸多课题。
“本次成果的特点在于，采用标准光纤，同时保持相对简单的结构便实现了6毫米的空间分辨率。”水野副教授强调了此次成果的特点。
研究团队对构成障碍的、在布里渊带宽附近产生的信号紊乱进行了详细研究，查明了其本质是源于调制频率引起的周期性成分。随后，团队开发了通过信号处理对这类周期性成分进行选择性抑制的方法，使得在以往被认为困难的高调制频率条件下，也能实现准确的分布测量，最终实现了这一成果。
本成果有望作为比以往更精细、更高效地诊断桥梁等社会基建设施健康状态的技术。不仅如此，得益于可实现毫米级空间分辨率，该技术还可应用于光波导内部的状态监测以及检测结构物与机器人形状的“形状传感”，未来还有望发展为可充当机器人精细感知周围状态所需的、类似“神经”角色的技术。
水野副教授展望道：“就基建设施监测的用途而言，多数情况下一般有数厘米左右的空间分辨率便已足够，因此我认为本次成果从分辨率的角度来看，已达到实用化水平。事实上，建设领域的实证实验已逐步启动。今后，我们将以同时实现本次这样的高空间分辨率与更长测量距离，以及为便于实际现场使用，提升装置的小型化程度与便携性作为课题，进一步持续推进研究。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Journal of Lightwave Technology
论文：BOCDR achieving 6-mm spatial resolution at modulation frequencies close to Brillouin bandwidth
DOI：10.1109/JLT.2025.3640608
