有一种光学技术，铁路安全居然也少不了它 | “追光逐梦”专栏

回答了“医生是如何给我们检查眼睛的”问题，“追光逐梦”专栏中“生活中的光学”部分暂时告一段落，接下来将呈现国际前沿的重大科研成果，带你领略科学的无穷魅力。

3月1日，为期40天的2019年春运结束，全国铁路累计发送旅客已超过3亿人次，相当于俄罗斯人口的两倍。而每年都要踏上回家返程路途的你，知道分布式光纤传感是如何为铁路安全保驾护航的吗？

春运，人类最大规模的周期性迁徙，铁路交通承载着数亿人回家团圆的梦想。面对巨大的客流量，铁路安全问题不容忽视。

早期的铁路安防，是在每两千米设立一个岗哨，依靠人工巡岗，效率极其低下。随着摄像头的出现，电子监控设备逐渐替代人工，铁路监测变得实时高效。然而电子设备的监测范围和检测可靠性受天气因素影响较大，每当恶劣天气出现时便大打折扣。此外，铁路距离的增长和列车的提速，也使得设备成本和维护成本大幅增加。铁路安防在期待一种更为全面、精准、可靠的监测技术。

21世纪，分布式光纤传感技术应时而生。这是一种新型连续性分布式的传感方式，仅需在铁轨旁敷设一条光纤，就能精确定位，并感知铁路沿线的温度、应变、振动等变化。它的监测范围很广，达到了安全条例中铁路安全保护区范围指标，可以有效在规定范围内进行实时的可靠监测。

这项技术的原理，基于物体在地面活动时引起的土壤振动。当振动不断向下传导时，光纤作为系统前端传感器，便会捕捉到振动信号并将其实时传回主机。光在光纤中传输时会发生散射，一部分散射光会沿着反方向传输。此时，通过相位敏感光时域反射仪接收光纤中的反射光，经过处理分析后，便可精确定位。另外依靠先进的模式识别技术，可以对落石滑坡、外部人员入侵、铁轨断轨等意外情况进行判断和监控。

分布式光纤传感系统正是利用上述连续分布式散射效应，对光纤沿线外界扰动进行分布式感知和精确定位，实现全方位连续监测。它类似人的神经系统，这独一无二的光纤“神经系统”，只需在墙里或地下埋设光纤，收发设备都在后方。若使用标准通信光纤，80千米光纤等效于8万个传感器，却仅需一台机器。因此，可以节省下大量的设备成本和维护成本。

如今，光纤遍布铁路沿线，分布式光纤传感系统为中国的铁路交通运输提供了有力保障。除此之外，它还被广泛应用于智能电网、油气管道、桥梁大坝和地铁隧道等领域，成为国家核心区域安防工作中的重要组成部分。

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下集预告：大尺寸偏振薄膜元件

作者单位：中国科学院上海光学精密机械研究所

鸣谢：中国科学院科学传播局、上海市科学技术委员会、上海市科学技术协会、上海市嘉定区科学技术委员会

专栏介绍：

光学，物理学的重要分支，仅21世纪以来，就有六次诺贝尔物理学奖与光学有关，比如2018年的诺奖就颁给了光镊和激光放大技术。

“高冷”的诺奖很精彩，身边中的光学一样大有学问哦：微波炉、手机、汽车……都离不开光学相助！

科学大院联合中科院上海光机所推出“追光逐梦”系列专栏，不仅带您一起探索身边的科学，还会带您走入高精尖的前沿光学科技殿堂！