日本芝浦工業大學工學部的Heeyoung LEE副教授（光波感測研究室）與橫濱國立大學研究生院工學研究院與綜合學術高等研究院的水野洋輔副教授等人的研究團隊於4月8日，通過沿光纖測量應變（伸縮）與溫度分布的光纖感測技術，在反射型測量方式的布里淵光相關域反射計（BOCDR）路線上，實現了突破以往極限的世界最高的6毫米空間解析度，並在全球首次成功檢測出1厘米以下的7毫米區間內的溫度變化分佈。相關研究成果已發表在光通信與光感測領域的國際學術期刊《Journal of Lightwave Technology》上。
圖1. 基於布里淵光相關域反射計（BOCDR）的分佈測量原理。利用向光纖中注入的雷射所產生的布里淵散射，在光纖中的選定位置測量溫度和應變。通過控制雷射的頻率，可以沿光纖移動測量位置，從而實現分佈式測量。（供圖：橫濱國立大學）
圖2. 空間解析度為6毫米的分佈式溫度測量實驗結果。結果顯示，檢測到了在光纖中極短區間（7毫米）內發生的溫度變化。在反射式測量方式下，實現了世界最高的6毫米空間解析度，從而能夠清晰分辨以往難以區分的1厘米以下的溫度變化。（供圖：橫濱國立大學）
隨著日本經濟高速增長期建設的橋樑、隧道等基建設施日趨老化，光纖感測作為一種持續監測此類結構物安全性的方法而備受關注。這是因為，通過沿結構物敷設光纖，能夠在長距離範圍內以分佈形式測量應變與溫度的變化。
此類分佈測量利用的是光纖中產生的被稱為布里淵散射的現象。在該散射過程中，散射光的頻率會發生微小變化，根據這一變化量即可推算出應變與溫度。
水野副教授表示，在這類技術中，尤以本次採用的「BOCDR」具備捕捉毫米級細微變化的潛力，只需從光纖一端注入光即可工作，因此佈設自由度高，即使光纖中途斷線也易於繼續測量，且由於結構簡單，在成本方面也具有優勢。
BOCDR中通過對雷射進行頻率調變來控制測量位置。調變速度（調變頻率）越高，可獲得的空間解析度就越精細。
然而，布里淵散射本身具有固有的頻率寬度（布里淵頻寬），當使用接近或超過這一頻寬的調變頻率時，測量信號中便會產生週期性變動，難以準確求出溫度和應變，這曾是實用化所面臨的障礙。
因此，在利用布里淵散射的分布型態感測中，此前的主流空間解析度一般為數十厘米（至多不過數厘米）。儘管以往也有向毫米級分辨率接近的嘗試，但大多因使用特殊光纖或裝置使得結構複雜，在實用層面仍留有諸多課題。
「本次成果的特點在於，採用標準光纖，同時保持相對簡單的結構便實現了6毫米的空間解析度。」水野副教授強調了此次成果的特點。
研究團隊對構成障礙的、在布里淵頻寬附近產生的信號紊亂進行了詳細研究，查明瞭其本質是源於調變頻率引起的週期性成分。隨後，團隊開發了通過信號處理對這類週期性成分進行選擇性抑制的方法，使得在以往被認為困難的高調變頻率條件下，也能實現準確的分佈測量，最終實現了這一成果。
本成果有望作為比以往更精細、更高效地診斷橋樑等社會基建設施健康狀態的技術。不僅如此，得益於可實現毫米級空間解析度，該技術還可應用於光波導內部的狀態監測以及檢測結構物與機器人形狀的「形狀感測」，未來還有望發展為可充當機器人精細感知周圍狀態所需的、類似「神經」角色的技術。
水野副教授展望道：「就基建設施監測的用途而言，多數情況下一般有數厘米左右的空間解析度便已足夠，因此我認為本次成果從分辨率的角度來看，已達到實用化水平。事實上，建設領域的實證實驗已逐步啟動。今後，我們將以同時實現本次這樣的高空間解析度與更長測量距離，以及為便於實際現場使用，提升裝置的小型化程度與便攜性作為課題，進一步持續推進研究。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Journal of Lightwave Technology
論文：BOCDR achieving 6-mm spatial resolution at modulation frequencies close to Brillouin bandwidth
DOI：10.1109/JLT.2025.3640608
