實時測溫“冰立方”用上光纖溫度計

冬奧會不僅是運動員在賽場上的競爭，也是最新科技成果的“大比拼”。

冬奧會舉行期間，由中國科學技術大學陳旸教授、趙東鋒教授團隊、王寶善教授團隊自主研制的高精度光纖溫度監測系統，全程參與冰壺賽事保障，以科技服務于冬奧會。

自主研制的分布式光纖傳感溫度監測儀 代蕊 攝

全空間實時測溫  精確度達0.1攝氏度

冰雪溫度對冬奧賽事至關重要。“冰立方”是冬奧會歷史上體量最大的冰壺場館，也是世界上唯一在泳池上架設冰壺賽道的“雙奧”場館，它實現了水冰之間自由轉換。

“冰壺場館對溫度的要求極高，整個冰體的溫度差異要控制在0.5攝氏度內。” 中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心特任副研究員張強介紹，而場館濕度、空氣溫度、場館形狀，以及運動員比賽過程中摩擦產生的熱量，都會導致冰體溫度發生變化。“這時，全空間實時監測冰體溫度，提供科學數據，對于保障賽事舉行至關重要。”

傳統測溫手段主要采用電學溫度計和紅外測溫儀，但這些測溫方式往往是單點測量，無法全面及時反映溫度在空間上的分布以及隨時間的變化。“像紅外測溫儀一般只能在賽前或賽后對賽道進行測溫。”張強說。

分布式光纖溫度傳感（DTS）系統很好地解決了這一難題。在冬奧會開幕前，中國科學技術大學研究團隊在冰壺賽場冰面下方鋪設約200米通訊光纖，這相當于布設了500個傳統溫度計，并部署2套分布式光纖溫度傳感設備，對賽道的冰體溫度進行空間和時間上的連續監測，及時了解冰體溫度的微小變化，精確度可達0.1攝氏度。

監測結果表明，冰壺比賽場地冰體溫度（冰面下5厘米）較為穩定（在零下9攝氏度至零下10攝氏度之間），場地的不同區域溫度存在微弱差異（約0.2攝氏度），比賽后冰體溫度略有升高(不超過0.8攝氏度)。系統監測數據實時推送至“冰立方”場館環境監控系統，全程保障冬奧會冰壺賽事的順利進行。

通信光纖變“神經”   感知溫度與振動

近些年來，中國科學技術大學研究團隊一直致力于光纖傳感應用領域的研究。2021年8月，研究團隊研制出具有自主知識產權的分布式光纖聲波/振動傳感（DAS）系統，利用現有通訊光纜進行地震監測和地下空間探測等工作。這一研究成果得到中國地震局的認可。

2021年9月，在接到冬奧會任務后，研究團隊與中國地震局地震預測研究所密切合作，組建聯合攻關團隊，研發分布式光纖溫度監測系統，應用于冬奧會冰雪溫度監測。針對冰壺場館對冰雪溫度全空間實時監測的需求，研究團隊對專用激光光源系統、高精度信號解調算法、高速數據處理系統等關鍵技術進行攻關，研制了具有自主知識產權的分布式光纖溫度傳感系統。

提及該系統的技術原理，張強作了一個形象的比喻，“蝙蝠作為夜間活動的動物，飛行時會發出超聲波，超聲波在接觸到物體之后反射回來，蝙蝠聽到聲音后大腦會及時做出處理。分布式光纖溫度傳感系統的原理與之類似，同樣屬于回波探測和感知，但利用的是在光纖中傳播的光波。”

激光在光纖中有三種散射，即瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射。瑞利散射對振動極其敏感，可以用來測量振動。而拉曼散射對溫度極其敏感，可以用來測量溫度。“分布式光纖溫度傳感系統就是利用拉曼散射，光波在被散射后頻率會發生變化，通過設備主機解調這種光就能測溫，將遍布地下的通信光纖變身感知環境的神經。”張強作了進一步解釋。

為了確保設備在冬奧會更好地應用，研究團隊在中國地震局大院內鋪設光纜，進行了連續兩個月的系統性能測試。最終經過測試，系統顯示出超強的穩定性。

“這次可以服務于冬奧會，展示大學科技力量的風采，是一件非常值得高興的事。”中國科學技術大學未來技術學院副院長陳旸教授介紹，分布式光纖傳感系統具備廣泛的應用前景，比如可以監測溫度、振動，在激光自然資源的普查與調查、實現碳達峰碳中和等方面做出貢獻。此外，它還可以應用于自然災害的預防和監測，進一步降低自然災害造成的損失。下一步，研究團隊將繼續攻關分布式光纖傳感系統建設，更好地服務于國家和社會的發展。