近日，西南交通大学信息光子与通信研究中心团队提出了基于分布式瞬态布里渊光纤传感（TABS）的多维高分辨真空管道状态感知技术。深入研究了瞬态声波下受激布里渊散射的作用过程，设计了一种功能协同传感器架构以高效利用瞬态声波的宽带、时变能量转换特性，进而有效提升布里渊能量利用率和整体传感性能。最后，深入探索了基于TABS的真空管道磁浮交通系统关键基础设施多维状态感知的可行性，为未来真空管道实时监测迈出了关键一步。
研究背景
真空管道磁浮交通是一种融合磁悬浮与真空管道技术以克服轨道摩擦力与空气阻力影响的新型轨道交通技术，可在低功耗、低噪音下实现亚音速或超音速（≥1000 km·h-1）贴地飞行。超高的行驶速度虽能大幅提高运载效率，但同时也对线路稳定性和安全性提出了更高的要求。为保障列车安全，需对管道沿线关键基础设施状态进行实时监测以及时发现并应对随时可能出现的异常情况。然而，真空管道的高真空、全封闭、非透明、强电磁等特点决定了传统监测方式（如视觉、电学传感器）难以对真空管道全线状态进行多样而细致的检测。
根据真空管道磁浮交通的特点，要实现其实时状态的精细检测，传感系统应具备以下能力：1）长探测距离，可实现几十到几百千米的探测范围；2）高空间分辨，可实现米至厘米级的伤损定位精度；3）高时间分辨，可对突发异常事件快速响应；4）高通用性，可对温度、应变、振动、真空等多维信息进行探测；5）强极端环境适应性，可在高真空、强电磁环境中长期稳定运行。鉴于此，该研究团队提出了基于瞬态声波的布里渊光时域分析仪传感系统以实现高时空分辨率分布式感知并探索其在真空管道多维状态监测中的可行性（图1），展示了其在开放世界大规模智能感知方面的应用潜力。
首先，为实现长距离、高时空分辨率分布式感知，作者们提出了基于瞬态声波的布里渊光时域分析仪传感器（Transient Acoustic wave-based Brillouin optical time domain analysis Sensor,TABS）。
布里渊光分析仪是一种基于光纤中受激布里渊散射效应（SBS，一种涉及对向传输双光波与声波间的三波耦合作用）的分布式光纤传感技术，具有传感距离长、长期稳定性好、测量范围大、传感参量多等优势。三十余年来，几乎所有布里渊光分析仪传感器都工作在稳态声波下以获取具有高频谱分辨率的窄布里渊增益谱。然而，稳态声波的使用同时也带来了集中而剧烈的能量输运过程，极易诱发各种不利效应而限制布里渊能量利用率，进而导致不同传感性能间相互制约，难以在长距离下实现高时空分辨率感知，这阻碍了其在真空管道和其他动态场景中的应用。同时，由于瞬态声波的宽布里渊增益谱具有更低的频谱分辨率，因此并未在布里渊传感器中得到广泛的应用。综上所述，为进一步实现整体性能的提升，需从布里渊传感器根本物理机制（即声波激发）出发，重新考虑传感系统的设计思路以提升布里渊能量利用率。
在该研究中，作者们深入分析了在瞬态声波下的受激布里渊散射作用，发现在该声波状态下布里渊能量输运呈现出了与稳态声波截然不同的宽带、时变特性。他们设计了一种功能协同传感器架构（图2）高效利用瞬态声波的宽带、时变能量转换来抑制系统寄生不利效应并提升布里渊能量利用率，进而提高整体传感性能。实验结果（图3）表明，TABS可在约50千米传感距离下实现37厘米空间分辨率和相较传统方法1到2个数量级提升的时间分辨率。测量速度的显著提升赋能高空间分辨率布里渊传感由静态测量向动态感知转变，从而使管道状态高速探测、突发事件快速响应、自然灾害超前预警等成为可能。巧合的是，TABS这个简称正好与“keep tabs on …”（译为密切关注、追踪某事动态）相呼应，预示其为感知而生。
TABS的长距离、高时空分辨率、多参量感知能力结合光纤自身特性（如无源、低损耗、小尺寸、易嵌入或贴近待测物、抗电磁干扰等）使之较为契合真空管道多维状态检测的需求。进一步地，作者们探索了TABS对真空管道系统关键基础设施状态成像的可行性。在真空管道系统中，管道管体是维持内部真空环境的关键气密性机构（图4a1）。由于其长期承受外界温度、大气压力、附加力等因素的影响，因此极有可能出现疲劳、损伤、老化、变形等问题。对真空管道状态的实时监测是确保其结构长期健康的重要一环。在该研究中，他们将传感光缆布设于试验真空管道上，探索了通过光纤传感实现管道状态三维成像的可行性（图4a2-4a5）。实验结果表明，TABS以小于7厘米的中心坐标误差对管道状态进行了精确成像。
总结与展望
该研究工作报道了一个充满希望的发现：长期被忽视的瞬态声波也许是开启高时空分辨率布里渊光纤传感的钥匙。
该研究初步探索了利用瞬态声波时-频维度特性构建高性能分布式布里渊传感的方法，但其物理机制和潜在应用仍有待进一步挖掘。在未来，随着对瞬态声波研究的深入，相信会出现更先进的布里渊传感器、显微镜、集成光子器件等，为更多领域的发展注入新活力。
论文信息
Zhou, Y., Cheng, Y., Ye, J. et al. High-spatiotemporal-resolution distributed Brillouin sensing with transient acoustic wave. Light Sci Appl 14, 210 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41377-025-01848-4
