高空间分辨率OFDR单干涉仪自补偿方法研究学术报告

一、作者及发表信息
本研究的通讯作者为Cailing Fu（深圳大学物理与光电工程学院，教育部/广东省光电器件与系统重点实验室），合作团队包括Huajian Zhong、Lijie Wang（重庆理工大学）、Bin Du等多名研究者。研究成果发表于光学工程领域权威期刊《Optics and Lasers in Engineering》2023年第161卷，文章标题为《High-spatial-resolution OFDR with single interferometer using self-compensation method》。

二、学术背景
研究聚焦于光学频域反射技术（Optical Frequency Domain Reflectometry, OFDR）在分布式光纤传感中的应用。传统OFDR需依赖辅助干涉仪（Auxiliary Interferometer, AI）补偿可调谐激光源（TLS）的非线性调频相位噪声，但AI系统结构复杂且受延迟光纤（Delay Fiber, DF）长度限制，导致测量距离与空间分辨率难以兼顾。本研究旨在通过自补偿方法（Self-Compensation Method, SCM）替代AI，简化系统结构的同时提升性能，目标实现毫米级空间分辨率（3 mm）和百米级（108 m）传感距离。

三、研究流程与方法

1. 系统设计与SCM原理

   • 实验装置：搭建单干涉仪OFDR系统（图1），核心组件包括TLS、耦合器（C1）、环形器（CIR）、偏振控制器（PC）及平衡光电探测器（BPD）。关键创新在于以电弧处理的FUT端面（反射率~-40 dB，信噪比18 dB）替代传统AI，通过其反射信号提取瞬时光学频率（IOF）。
     
   • SCM流程（图2）：
     
     • 信号采集：BPD获取FUT全段干涉信号（含瑞利散射与电弧端反射）。
       
     • 带通滤波：提取电弧端反射信号（图3c），经希尔伯特变换和反正切运算解析实际IOF（图3d）。
       
     • 相位补偿：以非线性IOF对主信号重采样，消除相位噪声。
       

2. IOF提取验证

   • 对比实验：同步运行SCM（单干涉仪）与ACM（含AI的常规OFDR），在50–160 nm/s扫频速率下，两者IOF相对误差<0.006%（图4），证明电弧端可等效替代AI。
     

3. 延迟光纤长度影响分析

   • 理论模型：相位噪声项𝜃(𝑡)−𝜃(𝑡−𝜏)中，𝜏为延迟时间。当DF长度≥FUT时（𝜏𝑧≥𝜏𝑖），SCM可完全补偿噪声（图6）。实验显示，108 m DF下交叉相关系数>0.99，均方根误差（RMSE）仅0.99 GHz。
     

4. 温度传感性能测试

   • 参数：扫频范围10 nm（1250 GHz），速率80 nm/s，空间分辨率3 mm（滑动窗口N=36）。
     
   • 结果：103.47–103.83 m区间升温30–80°C时，SCM与ACM的灵敏度分别为1.34 GHz/°C与1.29 GHz/°C，线性拟合系数>0.996（图7）。
     

5. 长距离传感验证

   • 170 m FUT测试：空间分辨率保持5 mm，RMSE 0.75 GHz（图8），证实SCM在长距离下的稳定性。
     

四、主要结果与逻辑关联
1. 电弧端反射信号有效性：IOF提取精度与AI相当（图4），为SCM奠定基础。
2. DF长度理论验证：长DF（108 m）下补偿效果显著优于短DF（17 m）（图6），支持𝜏𝑧≥𝜏𝑖的理论假设。
3. 温度传感一致性：SCM与ACM的灵敏度差异%，表明简化系统未牺牲性能（图7）。
4. 扩展性验证：170 m FUT仍达5 mm分辨率，突破传统OFDR距离-分辨率矛盾。

五、研究结论与价值
1. 科学价值：
- 提出SCM理论模型，阐明DF长度与相位噪声的定量关系。
- 首次实现单干涉仪OFDR，为分布式传感提供新范式。
2. 应用价值：
- 低成本、高稳定性，适用于工业管道监测、航空航天结构健康监测等长距离高精度场景。
- 3–5 mm分辨率优于同类研究（如文献[19]的45 mm/50 m）。

六、研究亮点
1. 方法创新：电弧端替代AI，简化系统且提升信噪比（18 dB）。
2. 性能突破：108 m距离下3 mm分辨率、170 m下5 mm分辨率，均为当前OFDR最佳报告值之一。
3. 理论深度：通过𝜏𝑧≥𝜏𝑖条件解析补偿极限，为后续研究提供设计准则。

七、其他价值
- 算法优化：结合滑动窗口（N=36）与零填充（M=4060），将频谱分辨率从34.72 GHz提升至0.31 GHz（图7），增强微小应变/温度变化的检测能力。
- 工程指导：电弧端加工工艺（商用熔接机FSM-60S放电参数）可标准化，便于产业化推广。