冬奧會不僅是一場運動員在賽場上的競爭，也是一場最新科技成果的“大比拼”。
冬奧會期間，由中國科學技術(shù)大學教授陳旸、趙東鋒團隊與該校教授王寶善團隊自主研制的高精度光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)，全程參與冰壺賽事保障。
全空間實時精確測溫
冬奧賽事中冰雪溫度至關(guān)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(shè)冰壺賽道的“雙奧”場館，它實現(xiàn)了水冰之間自由轉(zhuǎn)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(nèi)。”中國科學技術(shù)大學合肥微尺度物質(zhì)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(chǎn)生的熱量，都會導致冰體溫度發(fā)生變化?！斑@時，全空間實時監(jiān)測冰體溫度，提供科學數(shù)據(jù)，對于保障賽事舉行至關(guān)重要。”
傳統(tǒng)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?！跋窦t外測溫儀一般只能在賽前或賽后對賽道進行測溫?！睆垙娬f。
分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)（DTS）很好地解決了這一難題。在冬奧會開幕前，中國科學技術(shù)大學研究團隊在冰壺賽場冰面下方鋪設(shè)約200米通信光纖，這相當于布設(shè)了500個傳統(tǒng)溫度計，并部署2套分布式光纖溫度傳感設(shè)備，對賽道的冰體溫度進行空間和時間上的連續(xù)監(jiān)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(jiān)測結(jié)果表明，冰壺比賽場地冰體溫度（冰面下5厘米）較為穩(wěn)定（在零下9攝氏度至零下10攝氏度之間），場地的不同區(qū)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(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時推送至“冰立方”場館環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，全程保障冬奧會冰壺賽事的順利進行。
通信光纖變“神經(jīng)”
近些年來，中國科學技術(shù)大學研究團隊一直致力于光纖傳感應(yīng)用領(lǐng)域的研究。2021年8月，研究團隊研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的分布式光纖聲波/振動傳感系統(tǒng)（DAS），利用現(xiàn)有通信光纜進行地震監(jiān)測和地下空間探測等工作。該研究成果得到中國地震局認可。
2021年9月，在接到冬奧會任務(wù)后，研究團隊與中國地震局地震預(yù)測研究所密切合作，組建聯(lián)合攻關(guān)團隊，研發(fā)分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用于冬奧會冰雪溫度監(jiān)測。針對冰壺場館對冰雪溫度全空間實時監(jiān)測的需求，研究團隊對專用激光光源系統(tǒng)、高精度信號解調(diào)算法、高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進行攻關(guān)，研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)。
提及該系統(tǒng)的技術(shù)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(fā)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(tǒng)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?！?/span>
激光在光纖中有3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?！胺植际焦饫w溫度傳感系統(tǒng)就是利用拉曼散射。光波在被散射后頻率會變化，通過設(shè)備主機解調(diào)這種光就能測溫，將遍布地下的通信光纖變身感知環(huán)境的神經(jīng)?！睆垙娊忉?。
為了確保設(shè)備在冬奧會更好地應(yīng)用，研究團隊在中國地震局大院內(nèi)鋪設(shè)光纜，進行了連續(xù)兩個月的系統(tǒng)性能測試。最終經(jīng)過測試，系統(tǒng)顯示出超強的穩(wěn)定性。
陳旸介紹，分布式光纖傳感系統(tǒng)具有廣泛應(yīng)用前景，可以監(jiān)測溫度、振動，在激光自然資源的普查與調(diào)查、實現(xiàn)碳達峰碳中和等方面作出貢獻。此外，它還可以應(yīng)用于自然災(zāi)害的預(yù)防和監(jiān)測，進一步降低自然災(zāi)害造成的損失。下一步，研究團隊將繼續(xù)攻關(guān)分布式光纖傳感系統(tǒng)建設(shè)。
