大连理工大学物理学院科研团队联合附属中心医院攻克亚毫秒级光纤AI临床快检技术

光子传感技术是新一代工业检测、生命健康、新能源安全的核心底层支撑，倾斜光纤光栅表面等离子体共振（TFBG-SPR）传感凭借纳米级折射率检测、微型化、抗电磁干扰、原位实时监测等独特优势，成为电池健康管理、即时临床诊断、极端环境传感等领域的前沿“黄金技术”。

近日，物理学院彭伟教授、张扬副教授所在先进光学与光纤传感课团队，联合附属中心医院张雪梅医生等共同开展医工交叉攻关，在仪器科学与测量领域国际顶级期刊《IEEE仪器与测量汇刊》（IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement）（IEEE TIM，JCR Q1，TOP期刊）发表题为“用于等离子体倾斜光纤布拉格光栅传感器亚毫秒级解调的、具备不确定性量化与可解释性的边缘可部署智能测量框架”（An Edge-Deployable Intelligent Measurement Framework with Uncertainty Quantification and Interpretability for sub-millisecond Demodulation in Plasmonic TFBG Sensors）的原创研究成果。我院本科生张锦图也深度参与了研究与论文发表工作。

TFBG-SPR光谱采集与传感装置

该成果首次实现稀疏光谱下等离子体光纤传感的超精密、可解释、边缘实时解调，彻底打破传统技术“实验室好用、现场难用”的壁垒，为我国面向临床诊疗的高端光纤智能感知系统国产化、小型化提供了全新技术路径。

TFBG-SPR传感技术能实现10⁻⁵RIU量级的折射率分辨率，可捕捉单分子层吸附、电池内部离子迁移等极微弱物理化学变化。但长期以来，这项前沿技术始终面临硬件成本高、体积大、稀疏光谱解调难等问题。为破解这些难题，团队立足物理机理+人工智能交叉融合，从模型架构、不确定性评估、物理可解释性、边缘部署四大维度创新，软硬件协同开发了边缘可部署的智能测量框架，是全球首个面向等离子体TFBG稀疏光谱的物理驱动、端到端、可信AI解调系统，无需高分辨率仪器、无需手动特征提取，直接处理低成本探测器采集的原始信号。

团队提出的解调框架在ARM Cortex-A78AE嵌入式处理器上实现硬件落地，单光谱解调延迟仅0.8毫秒、解调速率达1kHz，真正实现亚毫秒级实时处理。这一突破让高精度光纤传感不再依赖高性能计算机，可直接集成到便携设备、工业探头、穿戴式传感器中，满足动态监测的极速响应需求。针对深度学习黑箱痛点，团队采用蒙特卡罗估计融合模型偏差与数据噪声，给出可追溯的测量误差边界，95%置信区间全覆盖真实值。

针对光谱的深度学习可解释性验证框架结果，通过热图判断模型的决策点

该成果彻底打通等离子体光纤传感实验室到高端医疗临床快检的“最后一公里”，凭借小型化、低成本、高精度、高可信的核心优势，可广泛落地于边缘传感需求，体现AI辅助医工交叉多学科融合发展的大趋势。

文章链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11371407

来源：物理学院
编辑：张紫嫣 常思萌