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作者及机构
本研究由Arnaldo Leal-Junior（第一作者及通讯作者）、Mariana Silveira、Leandro Macedo、Anselmo Frizera（巴西联邦圣灵大学）以及Carlos Marques（葡萄牙阿威罗大学材料研究所）合作完成，发表于期刊*Optical Fiber Technology*第84卷（2024年），文章编号103775。

学术背景
本研究属于光纤传感技术领域，聚焦于光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）的多参数传感能力提升。FBG传感器因其高灵敏度、抗电磁干扰和分布式测量优势，广泛应用于航空航天、生物医疗和结构健康监测等领域。然而，传统FBG传感器存在交叉敏感性（cross-sensitivity）问题，例如温度与应变信号的相互干扰，且多参数测量通常需多个FBG或特种光纤，增加了系统复杂性和成本。
研究团队旨在开发一种基于偏振辅助分析（polarization-assisted analysis）的单FBG多参数传感系统，通过分析正交偏振态（s-和p-偏振）的光谱特征，实现轴向应变、扭转角度和温度的同时测量，并利用机器学习算法（随机森林）解耦交叉敏感性问题。

研究流程
1. 有限元模拟（FEA）与理论分析
- 对象：标准单模石英光纤（芯径0.15 mm，包层直径0.4 mm），模拟长度分别为60 mm、100 mm和150 mm。
- 方法：通过ANSYS Workbench模拟光纤在轴向力（50 N）和扭转力矩（5 N·m）下的应变分布，验证非均匀应变对偏振态的影响。结果显示，弯曲和扭转会导致光纤截面应变非均匀分布（图4），从而引发偏振态差异。
- 理论模型：基于FBG波长偏移公式（式1），建立温度、应变与偏振响应的关联模型。

1. 实验设计与数据采集

   • 传感器：采用聚酰亚胺涂层的FBG（中心波长1560 nm，带宽0.4 nm，物理长度8 mm）。
     
   • 实验系统（图1-2）：
     
     • 加载装置：线性平移台（轴向应变0–2100 με）、旋转平台（扭转角度0°–450°）和热电制冷片（温度24°C–50°C）。
       
     • 信号解调：使用Luna Innovations的OBR4600光学背向散射反射仪，通过偏振分束器分离s-和p-偏振光，记录反射光谱的波长偏移和回波损耗。
       
   • 测试流程：
     
     • 单参数测试：分别测量应变、扭转和温度的独立响应。
       
     • 多参数耦合测试：同步施加应变、扭转和温度变化，分析交叉敏感性。
       

2. 数据分析与算法开发

   • 特征提取：从全光谱、s-偏振和p-偏振数据中提取波长偏移和振幅（回波损耗）作为输入特征。
     
   • 机器学习模型：采用随机森林算法（Random Forest），根据各特征与目标参数（应变、扭转、温度）的相关系数（R²）分配权重，建立多参数回归模型（图3）。
     

主要结果
1. 单参数响应
- 轴向应变：仅波长偏移敏感（灵敏度1.09 pm/με，R²=0.999），振幅变化可忽略（图6）。
- 温度：波长偏移灵敏度17.84 pm/°C（R²=0.997），s-和p-偏振振幅呈现相反变化趋势（图7）。
- 扭转：波长偏移灵敏度12.42 pm/°，p-偏振振幅变化显著（3.9×10⁻³ dB/°），全光谱响应较弱（图8b）。

1. 多参数解耦性能
   
   • 通过随机森林算法，三参数同步测量的相对误差分别为：应变0.02%、扭转0.03%、温度10.19%（图10）。温度误差较高源于其较小的振幅信号占比。
     
   • 均方根误差（RMSE）：应变0.21 με、扭转0.11°、温度2.91°C，验证了方法的可行性。
     

结论与价值
1. 科学价值：
- 首次实现了单FBG在标准单模光纤上无需结构改装的三参数同步测量，解决了交叉敏感性问题。
- 提出偏振辅助分析结合机器学习的新方法，为FBG光谱效率优化提供了新思路。

1. 应用价值：
   
   • 适用于医疗针定位、旋转机械监测和复杂载荷结构评估等领域，尤其适合温度不可控环境（如航空发动机监测）。
     
   • 系统成本低、易于集成，优于需多FBG或特种光纤的方案。
     

研究亮点
1. 方法创新：将偏振态分析与多特征回归结合，显著提升单FBG的信息提取能力。
2. 技术普适性：仅需商用FBG和标准解调设备，无需复杂光学改造。
3. 跨学科融合：首次在FBG传感中引入随机森林算法，为光学传感器数据处理提供新范式。

其他价值
- 研究获巴西及葡萄牙多个基金支持（如FINEP、CNPq），部分成果已应用于医疗设备开发（如[25]）。
- 未来方向包括将该技术扩展至三维形状重构（如航空结构变形监测）。