2020年11月，NATURE子刊《NATURE COMMUNICATIONS》刊发了我校伍剑教授团队洪小斌教授指导的博士研究生孙茜子同学在分布式光纤传感方面的最新研究成果“Genetic-optimised aperiodic code for distributed optical fibre sensors“，伍剑教授团队与瑞士洛桑联邦理工学院的LUC教授团队合作发表此论文。
基于光时域反射（OTDR）技术的分布式光纤传感器通过向被测光纤中注入光脉冲，检测反射光信号的幅度或相位，解调出光纤各点感应到的温度、应变等环境参量。传感器的分辨率、检测距离、检测时间等各项性能都与检测到的信号的信噪比相关，为了提高检测信号的信噪比，通常采用通信中的编码理论，向光纤中注入编码后的光脉冲，检测反射光信号的幅度或相位后通过算法解码提取出单脉冲的系统响应，同时得到编码增益。然而，传统的编解码方法中编码和解码必须采用相同的二进制码，恢复单脉冲响应必须采用矩阵形式，阵列中的每一行作为一次测量，阵列中的所有编码发完才能进行解码得到单脉冲响应，这种传统编解码方法对矩阵大小有严格要求，系统设计复杂，限制了其在分布式传感系统中的应用。
图1编解码工作原理
鉴于此，伍剑教授团队洪小斌教授、孙茜子博士和毕业于该团队在瑞士洛桑理工学院从事博士后研究工作的杨智生博士提出了一种新的编解码方法，如图1，注入一组由遗传算法优化、符合最大去噪标准的二进制编码脉冲，通过算法解码即可得到单脉冲响应。此技术只需要在传统传感系统中添加一个软件程序即可实现，不需要调整传感器结构或添加额外的器件，克服了传统编解码技术的码长受限、噪声恶化、测量时间增加、价格昂贵等缺点。利用该技术，论文基于拉曼散射的拉曼光时域反射(ROTDR)技术和基于布里渊散射的布里渊时域分析系统(BOTDA)技术验证了新型编解技术的有效性，分别实现了10千米光纤长度的实时温度检测（如图2）、100千米光纤长度下采用723比特编码实现了比单脉冲方案8.5倍的性能提升。研究组利用该论文提出的理论进一步实现了温度分辨率1°C、距离分辨率4m、180公里的快速分布式布里渊传感系统，并由泰尔实验室检测验证，如图3。
该成果将促进分布式光纤传感系统产业化进程，服务于防灾、市政管道监控和油气管道监控等领域。该研究得到了国家自然科学基金（61875018）和国家重点研发计划（(2017YFB0405500）的支持。
