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高空间分辨率分布式温度传感器的创新研究：基于偏振敏感光学频域反射技术

作者及机构
本研究的核心团队来自上海交通大学先进通信系统与网络国家重点实验室，包括He Li、Qingwen Liu、Dian Chen和IEEE高级会员Zuyuan He。研究成果发表于2021年4月15日的《Journal of Lightwave Technology》第39卷第8期。

学术背景与研究动机
分布式温度传感器（DTS, Distributed Temperature Sensor）在电缆故障定位、管道泄漏监测等领域具有重要应用价值。传统基于拉曼散射（Raman scattering）的DTS受限于自发拉曼背向散射（spRBS）信号强度低，难以实现厘米级空间分辨率；而基于布里渊散射（Brillouin scattering）的系统需双端接入光纤，灵活性不足。为此，本研究提出了一种基于偏振敏感光学频域反射技术（OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry）的新型DTS系统，利用保偏光纤（PMF, Polarization-Maintaining Fiber）的双折射效应实现绝对温度测量，同时突破空间分辨率限制。

研究方法与流程
1. 系统设计与搭建
- 核心配置：采用偏振保持结构的OFDR系统，包含可调谐激光源（TLS）、马赫-曾德尔辅助干涉仪（臂长差33.2米）和双通道数据采集卡（NI PXIe-5171）。
- 创新算法：通过短时傅里叶变换（STFT）提取瑞利背向散射（RBS）光谱差异，结合分布式互相关算法消除自相关误差。
- 传感光纤：94米熊猫型保偏光纤，末端20米绕制成10个环形结构，局部15厘米段置于温控模块（TCM）中模拟温度变化。

1. 温度解调原理

   • 双折射效应：PMF的慢轴与快轴折射率差（双折射系数b）与温度呈线性关系（公式：δνsf/νs = b/ng_s）。
     
   • 信号处理：通过STFT将时域信号转换为空间-光谱域数据，计算两正交偏振轴的RBS光谱互相关峰值偏移量，直接反映温度变化（灵敏度61.6 MHz/°C）。

2. 实验验证

   • 空间分辨率测试：通过相位噪声补偿（PNC）算法将Fresnel反射峰的半高宽从3.9 cm优化至1.3 cm。
     
   • 温度标定：在10°C至80°C范围内，以10°C为间隔测量10组数据，验证光谱差与温度的线性关系（R²>0.99）。
     
   • 误差分析：系统绝对温度不确定度为±4.5°C（主要受双折射非均匀性限制），若消除非均匀性影响可提升至±0.8°C（受随机噪声限制）。

主要研究结果
1. 高分辨率实现：实验证实系统空间分辨率达1.3 cm（理论值1 cm），优于传统拉曼DTS的米级分辨率。
2. 绝对温度测量：通过PMF双折射的线性温度响应，无需逐段校准即可实现绝对温度测量（图7b）。
3. 误差控制：分布式互相关算法将自相关导致的谱差误差从±500 GHz降低至±50 GHz（图5b），显著提升可靠性。

结论与价值
本研究首次将偏振敏感OFDR与PMF结合，解决了传统DTS在厘米级分辨率和绝对温度测量上的矛盾。其科学价值在于：
- 方法创新：通过STFT和互相关算法实现高精度双折射分布解析。
- 应用潜力：适用于变压器绕组、电动汽车电池等小尺度温度监测场景，维护时可直接更换同批次PMF而无需重新校准。

研究亮点
1. 厘米级分辨率与长距离兼容：在94米光纤上实现1.3 cm分辨率，突破OFDR的Nyquist采样限制。
2. 全保偏结构设计：独立获取两偏振轴RBS信号，避免非保偏系统的串扰误差。
3. 工程友好性：双折射均匀性假设简化了现场标定流程，降低运维成本。

其他发现
- 交叉敏感性：应变对双折射的影响（0.022°C/με）远低于传统RBS（0.12°C/με），实际安装中弯曲半径>5 mm时可忽略附加双折射（图7c）。
- 扩展性：该方法可进一步与应变测量结合，实现多参数分布式传感。

该报告完整覆盖了研究的背景、方法、结果与创新点，符合学术交流的规范要求。