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作者及发表信息
本研究由Jiong Li, Jiulin Gan, Zhishen Zhang, Xiaobo Heng, Changsheng Yang, Qi Qian, Shanhui Xu, Zhongmin Yang共同完成，作者团队来自South China University of Technology（华南理工大学）的State Key Laboratory of Luminescent Materials and Devices（发光材料与器件国家重点实验室）等三个研究机构。论文发表于Optics Express期刊，2017年10月27日在线发表，DOI编号为10.1364/OE.25.027913。
学术背景
研究领域：本研究属于分布式光纤传感技术领域，具体聚焦于基于相位解调的光频域反射技术（Phase-OFDR）的高空间分辨率应变测量方法。
研究动机：传统分布式光纤应变传感器（如干涉型、布里渊散射型、瑞利散射型）存在空间分辨率低（米级）、最小可测应变受限（>10 με）或无法同时支持静态/动态应变测量等问题。而现有基于瑞利散射的相位敏感光时域反射仪（φ-OTDR）虽灵敏度高，但缺乏静态应变测量能力。因此，本研究旨在开发一种兼具高空间分辨率（毫米级）、高灵敏度（1 με）和静态/动态应变测量能力的解决方案。
目标：通过相位解调方案直接分析瑞利背向散射光的相位变化，结合交叉相关定位方法，实现长距离（200米）、高空间分辨率（静态10 cm、动态0.1 mm）的分布式应变检测。
研究流程与方法
1. 系统设计与原理
- 光学架构：系统包含两个干涉仪：
- 辅助干涉仪：通过非平衡马赫-曾德尔干涉仪（MZI）监测可调谐激光源（TLS）的瞬时频率，提供外部时钟信号。
- 主干涉仪：采用3×3光纤耦合器结构，将参考光与瑞利背向散射光干涉，生成包含应变信息的相位信号。
- 相位解调算法：提出基于差分交叉相乘（Differential and Cross-Multiply）的相位解调方案（图2），通过消除线性项2πfbt，直接提取与应变成正比的电压信号（式7）。
- 应变定位：通过交叉相关分析确定扰动位置，空间分辨率由激光扫描范围（20 nm）决定，理论值达0.04 mm。
2. 实验设置
- 硬件配置：
- 激光源：Keysight 81606A TLS，扫描速度20 nm/s。
- 传感光纤：200米Corning SMF-28e单模光纤，末端通过APC连接器引入菲涅尔反射点。
- 应变施加：30 cm光纤缠绕于压电陶瓷（PZT），施加定量静态/动态应变。
- 数据采集：
- 采样率20 MS/s，通过快速傅里叶变换（FFT）将时域数据转换为空间域数据。
- 动态应变检测时，将数据分段（m=300段），采样频率300 Hz，最高检测频率150 Hz（奈奎斯特准则）。
3. 数据处理与优化
- 插值算法：突破辅助干涉仪光程差对传感距离的限制，将测量范围扩展至200米。
- 信噪比优化：通过调整数据量（n=1000点）平衡空间分辨率（10 cm）与信噪比（SNR≈20 dB）。
主要结果
1. 高空间分辨率验证
- 断点检测：系统可分辨间距2 mm的APC连接器反射峰（图6），单点空间分辨率达0.1 mm（图5），接近理论值0.04 mm。
- 应变定位：交叉相关分析能准确区分静态均匀应变（单峰偏移，图7b）和动态应变（多峰，图7c），定位误差 cm。
2. 应变测量性能
- 静态应变：成功检测1.6–4.6 με的静态应变（图8），最小可测应变1 με（背景噪声水平）。
- 动态应变：可解调20 Hz和100 Hz的正弦振动信号（图9），振幅分辨率2.3 με（对应相位变化2.2 rad）。
3. 系统鲁棒性
- 相位解调方案避免了传统交叉相关法对参考信号的依赖，显著降低了TLS频率不稳定性引入的误差。
结论与价值
科学价值：
1. 首次将相位解调方案与OFDR结合，实现了兼具高空间分辨率、高灵敏度和动态/静态应变检测能力的分布式光纤传感系统。
2. 提出的插值算法和相位解调方法为长距离、高精度光纤传感提供了新思路。
应用价值：
该系统适用于航空航天智能结构、油气管道泄漏监测、周界安防等领域，尤其适合需要微应变（με级）和毫米级定位精度的场景。
研究亮点
- 创新方法：自主研发的相位解调算法避免了参考信号需求，简化了系统架构。
- 性能突破：在200米传感距离上实现10 cm（静态）/0.1 mm（断点）空间分辨率，动态应变检测频响达100 Hz。
- 硬件优化：通过3×3耦合器结构和插值算法，平衡了系统复杂度与性能。
其他有价值内容
- 论文详细分析了相位噪声（激光源、环境、DAQ量化噪声）对检测下限的影响，为后续灵敏度提升提供了方向。
- 作者指出，通过增大TLS扫描范围或采用更高性能DAQ，可进一步提升空间分辨率和频率检测范围。
（全文约2000字）