前言

分布式光纤传感技术正以深刻的变革力量，重塑着我们对物理世界的感知维度。其中，拉曼散射分布式光纤传感技术凭借其对温度场实现长距离、连续、分布式精确测量的独特能力，已成为能源电力、油气储运、重大基础设施安全监测等关键领域的核心技术支柱。从基础理论突破到工程实践深化，该技术发展历程是一场持续逼近物理极限、不断拓展性能边界的科学探索。

　　本书是作者团队面向国家重大战略需求，在高性能拉曼散射分布式光纤传感领域深耕十几年的系统性研究成果结晶。我们亲历了这一技术从探索、发展到迈向高性能化的完整进程，并深入参与了应对其核心挑战——如何同步提升空间分辨率、传感距离、测量精度与稳定性的科技攻关。这些挑战根植于光与物质相互作用的复杂物理图景之中，也显现于极端环境下的实际应用场景之内。为此，我们围绕传感原理、物理机制、信号处理与系统架构等层面展开了一系列原创性研究，旨在从根本原理上寻求突破，从技术路径上实现创新。

　　本书并非简单的内容汇编，而是试图构建一个从物理本质到技术前沿的有机知识体系。全书系统阐述了拉曼散射分布式光纤传感的基本原理与定位解调理论； 深入剖析了脉冲特性、光纤色散等关键物理因素对性能的影响机理； 重点介绍了团队在提升空间分辨率、拓展传感距离、抑制噪声、提高测量精度等方面所发展的多项特色技术与创新方案； 并探讨了混沌光源、深度学习等新兴方法在该领域的融合与应用。我们力求不仅呈现技术的结果，更揭示其背后的科学思路与解决路径。本书研究内容也先后获得山西省科学技术奖技术发明一等奖、科学技术进步奖一等奖，中国光学工程学会科学技术奖自然科学二等奖、技术发明二等奖，中国十大光学产业技术人气奖等科技奖项。

　　本书凝结了团队每一位成员长期的潜心探索与智慧思考，也承载着许多青年学子的创新贡献。在此，首先要由衷感谢我的导师张明江教授多年来的悉心指导与坚定支持； 同时，也深深感谢王云才教授在学术道路上给予的引领与鼓励。成书期间，课题组张建忠教授、乔丽君副教授、薛晓辉副研究员、马喆副教授及王亚辉副教授提出了许多宝贵的修改意见，在此向他们表示诚挚的谢意。最后，我要特别感谢曾在本课题组学习的同学们，他们的付出为本书奠定了基础。谨按入学年份排序如下：

　　闫宝强、许扬、余涛、周新新、王晨懿、冯凯、尹子彤、于福浩、范卜文、曹康怡、郭浩森、张帆、刘培林、程姿嘉、朱亚琦、黄鑫、张馨月、李璐磊、柴明渊、张艺璇、王佳乐、王日龙。

　　他们的热情投入与细致工作，为本书的完善增添了重要力量。在此，一并致以诚挚谢意。

　　我们诚挚希望，书中对基础问题的剖析、对技术挑战的回应以及对未来方向的展望，能够为国内外同行、科研工作者、工程师及莘莘学子提供切实的参考与启发，共同推动拉曼散射分布式光纤传感技术迈向更精、更远、更智能的未来。

　　由于作者学识所限，书中难免存在疏漏与不足之处，恳请各位读者批评指正。

李健

2025年12月

本书特色在于系统构建了从物理原理到前沿技术的完整知识体系，深度剖析了性能极限与提升路径。其核心价值是首次集中呈现了作者团队在超高空间分辨率、长距离探测、混沌激光及深度学习预警等方向的系列原创性技术成果，为研究人员和工程师攻克实际应用中的性能瓶颈提供了扎实的理论支撑与先进解决方案。

分布式光纤传感技术以其革命性的创新优势，持续引领全球传感领域的科技前沿，近年来已成为各国重点布局的战略性技术制高点。作为构建高速泛在、天地一体、集成互联、安全高效的新型基础设施网络的核心支撑技术，它正深刻推动着相关行业的变革与发展。

李健，教授/博士生导师，中国科协青年人才、山西省青年拔尖人才，精密测量物理山西省重点实验室副主任，兼任《PhotoniX》、《红外与激光工程》、《中国测试》、《光电融合》青年编委，中国光学工程学会青年工作委员会委员、中国光学工程学会光电融合专业委员会委员，从事混沌拉曼分布式光纤传感研究，主持国家、省部级和企业委托项目20项，以第一/通讯作者在Light：ScienceApplications（2篇）、PhotonicsResearch等期刊发表学术论文50余篇，第一发明人授权中国发明专利13项、美国专利2项，研究成果获中国十大光学产业技术，得到《中国科学报》、《新华网》、《麻省理工科技评论》专文报道。以第一完成人获省部级技术发明奖2项、中国仪器仪表学会金国藩青年学子奖、中国光学学会郭光灿光学优博论文提名奖等奖励。

目录

第1章绪论

1.1拉曼散射分布式光纤传感原理、系统架构与优势

1.1.1理论基础： 拉曼散射效应

1.1.2传感原理与系统架构

1.1.3技术优势与挑战

1.2拉曼散射分布式光纤传感技术研究历程

1.2.1理论奠基与概念验证

1.2.2技术突破与商用启航

1.2.3性能优化与应用深化

1.3拉曼散射分布式光纤传感技术的应用研究进展

1.3.1电力电缆与输电线路安全监控

1.3.2油气管道泄漏监测与周界安防

1.3.3大型土木工程结构健康监测

1.3.4新一代研究前沿与挑战

1.3.5应用总结

1.4本书结构安排

参考文献

第2章拉曼散射分布式光纤传感基本原理

2.1引言

2.2定位原理

2.2.1拉曼光时域反射定位原理

2.2.2相关法定位解调原理

2.2.3拉曼光频域反射法定位解调原理

2.3温度解调原理

2.3.1双路信号温度解调原理

2.3.2单路信号温度解调原理

2.3.3环路信号温度解调原理

2.3.4相关法峰值系数温度解调原理

2.3.5拉曼光频域反射法温度解调原理

2.4小结

参考文献

第3章系统性能提升中的关键物理问题分析

3.1引言

3.2拉曼散射分布式光纤传感技术的关键性能指标

3.2.1测量动态范围和传感距离

3.2.2空间分辨率

3.2.3温度分辨率

3.2.4测温精度

3.3脉冲宽度对性能指标的影响

3.3.1脉冲宽度对空间分辨率的影响

3.3.2脉冲宽度对测温精度的影响

3.3.3脉冲宽度对传感距离的影响

3.4脉冲波形对空间分辨率的影响

3.4.1规律脉冲波形对空间分辨率的影响

3.4.2不规则脉冲波形对空间分辨率的影响

3.5光纤色散对性能指标的影响

3.5.1光纤色散对空间分辨率的影响

3.5.2光纤色散对测温精度的影响

3.6激光脉冲传输特性及拉曼散射光强叠加特性分析

3.6.1基于脉冲离散强度有效点的信号采集时域模型

3.6.2基于光时域反射定位原理的光纤散射信号叠加特性

3.6.3光纤探测区域与SR的相对长度关系对拉曼散射信号的影响

3.7小结

参考文献

第4章高空间分辨率拉曼散射分布式光纤传感技术

4.1引言

4.2基于差分脉冲对的拉曼光纤温度解调技术

4.2.1差分脉冲对解调原理

4.2.2模拟仿真与实验结果

4.3基于自脉冲时域延时差分的拉曼光纤温度解调技术

4.3.1自脉冲时域延时差分解调原理

4.3.2定位及温度解调结果

4.4基于多脉冲并行辅助的拉曼光纤温度解调技术

4.4.1探测光纤对温度包络的影响

4.4.2多脉冲并行辅助拉曼光纤温度解调原理

4.4.3实验温度解调结果

4.5基于拉曼散射包络信号幅值拟合辅助的拉曼光纤温度解调技术

4.5.1拉曼散射包络信号幅值拟合辅助解调原理

4.5.2实验温度解调结果

4.6基于信号特征值分解与脉冲能量分配的拉曼光纤温度解调技术

4.6.1信号特征值分解与脉冲能量分配传感原理

4.6.2实验温度解调结果

4.7基于拉曼散射包络信号斜率辅助的拉曼光纤温度解调技术

4.7.1温变区内脉冲传输特性和拉曼散射信号叠加特征

4.7.2拉曼散射包络信号斜率辅助传感原理

4.7.3实验温度解调结果

4.8基于非相干探测的拉曼光频域反射解调技术

4.8.1非相干探测拉曼光频域反射解调原理

4.8.2仿真解调结果

4.9小结

参考文献

第5章混沌激光拉曼散射分布式光纤传感技术

5.1引言

5.2混沌脉冲激光差分相关解调技术

5.2.1混沌激光的产生及混沌拉曼散射光场特性

5.2.2时域差分重构与相关压缩解调原理

5.2.3基于混沌激光相关法的温度解调结果

5.3基于二阶相关偏导计算的混沌激光相关解调技术

5.3.1二阶相关偏导解调原理

5.3.2温度信号定位及解调结果

5.4混沌脉冲簇相关解调技术

5.4.1混沌脉冲簇探测信号特征分析

5.4.2实验温度解调结果

5.5混沌非对称脉冲对相关解调技术

5.5.1混沌非对称脉冲对信号特征分析

5.5.2实验温度解调结果

5.6高熵信号多阶差分相关解调技术

5.6.1高熵信号及其特征

5.6.2多阶时域差分重构原理

5.6.3三种高熵信号方案温度解调性能对比

5.7结语

参考文献

第6章长距离高信噪比拉曼散射分布式光纤传感技术

6.1引言

6.2基于复数域宽度啁啾脉冲压缩探测的拉曼光纤温度解调技术

6.2.1复数域宽度啁啾脉冲压缩传感解调原理

6.2.2宽度啁啾脉冲探测信号特性分析

6.2.3温度解调实验结果

6.3基于强抗干扰脉冲编码与波形重构的拉曼光纤温度解调技术

6.3.1强抗干扰脉冲编码原理

6.3.2波形重构与解码原理

6.3.3长距离温度解调结果

6.4动态噪声抑制结合小波模极大值去噪拉曼光纤温度解调技术

6.4.1解调模型

6.4.2温度解调结果

6.5瑞利噪声抑制拉曼解调技术

6.5.1瑞利噪声抑制原理

6.5.2温度解调对比结果

6.6基于遗传优化去噪的拉曼光纤温度解调技术

6.6.1遗传优化去噪模型

6.6.2去噪实验解调结果

6.7小结

参考文献

第7章高精度拉曼散射分布式光纤传感技术

7.1引言

7.2基于差分温敏系数补偿的拉曼光纤温度解调技术

7.2.1拉曼散射方程温敏系数补偿原理

7.2.2温度解调实验对比结果

7.3基于动态增益校准的拉曼光纤温度解调技术

7.3.1光源与探测器动态增益校准原理

7.3.2不同传感距离下的实验对比结果

7.3.3拉曼光衰减差异补偿技术

7.3.4光源脉冲编码技术

7.3.5大温度测量范围下温度分辨率性能仿真分析

7.4基于光纤模式色散补偿校准的拉曼光纤温度解调技术

7.4.1拉曼斯托克斯光散射和反斯托克斯光散射信号波长色散校准原理

7.4.2温度解调对比结果

7.5基于动态差分衰减识别的拉曼光纤温度解调技术

7.5.1动态差分衰减识别解调原理

7.5.2解调对比实验结果

7.6小结

参考文献

第8章基于深度学习的高性能拉曼散射分布式光纤传感技术

8.1引言

8.2基于传感光缆热传递函数的温度超前预警技术

8.2.1传感光缆温度传递滞后效应

8.2.2超前预警模型建立及实验结果分析

8.3基于多阶实时移动平均法的数据挖掘和融合预警技术

8.3.1技术原理分析

8.3.2温度预警实验结果与分析

8.4基于残差复合双卷积神经网络的拉曼光纤温度解调技术

8.4.1残差复合双卷积神经网络原理

8.4.2温度解调实验结果

8.5神经网络色散补偿拉曼解调技术

8.5.1一维膨胀卷积残差神经网络原理

8.5.2一维膨胀卷积残差神经网络训练模型

8.5.3温度解调实验结果

8.6基于深度学习拉曼损耗及温度效应的双参量拉曼光纤传感技术

8.6.1双参量解调原理

8.6.2实验结果与分析

8.7小结

参考文献