高空间分辨率光纤分布式声学传感器：基于相位敏感光频域反射仪（Φ-OFDR）与增强串扰抑制技术的研究报告

一、作者与发表信息
本研究由上海交通大学先进通信与数据科学研究院的李贺、刘清文（通讯作者）、陈典、邓元鹏、何祖源团队完成，发表于*Optics Letters*期刊2020年1月15日第45卷第2期，标题为《High-Spatial-Resolution Fiber-Optic Distributed Acoustic Sensor Based on Φ-OFDR with Enhanced Crosstalk Suppression》。研究得到国家重点研发计划（2017YFB0405500）和国家自然科学基金（61620106015, 61875121）支持。

二、学术背景与研究目标
光纤分布式声学传感器（DAS, Distributed Acoustic Sensor）因抗电磁干扰、分布式测量和高灵敏度等优势，在结构健康监测、油气管道安全等领域备受关注。然而，传统基于相位敏感时域反射仪（Φ-OTDR）的DAS系统受限于脉冲宽度与信噪比（SNR）的权衡，空间分辨率难以突破厘米级。光频域反射仪（OFDR）虽能实现高分辨率，但动态振动测量中存在串扰问题。本研究提出一种基于Φ-OFDR的新型DAS系统，通过内脉冲分割（IPD, Inner-Pulse Division）和旋转矢量求和（RVS, Rotating-Vector-Sum）方法抑制串扰，首次实现千赫兹级振动波形的高保真恢复，目标为厘米级空间分辨率与纳应变级应变灵敏度。

三、研究方法与流程
1. 系统设计与光路构建
- 光源：采用1 kHz线宽光纤激光器（NKT E15），通过强度调制器（IM）生成线性调频（LFS）脉冲序列（频率范围7–15 GHz，脉宽80 μs）。
- 探测光路：光信号经掺铒光纤放大器（EDFA）放大后注入950米单模光纤，末端布置两个压电陶瓷（PZT）分别激发1 kHz和0.9 kHz振动。
- 接收端：偏振分集接收器（PDR）消除偏振衰落，平衡光电探测器（BPD）采集瑞利后向散射（RBS）信号，采样率2.5 GSa/s。

1. 信号处理与振动解调

   • 内脉冲分割（IPD）：将每个80 μs脉冲分为4段（每段有效脉宽20 μs），汉宁窗抑制旁瓣，空间分辨率提升至12 cm（理论值10.26 cm）。
     
   • 旋转矢量求和（RVS）：对分段信号进行傅里叶变换（FT），通过复数RBS剖面的相位差分解调应变，结合偏振分集抑制衰落噪声。
     
   • 串扰抑制：短有效脉宽（τeff）降低振动引起的相位泄漏，实验表明τeff=20 μs时串扰抑制比（CSR）达19 dB。
     

2. 实验验证

   • 性能指标：在950米光纤上实现12 cm空间分辨率、1 nε/√Hz应变灵敏度及6.25 kSa/s采样率。
     
   • 多振动检测：同步解调942 m处1 kHz与946 m处0.9 kHz振动，信噪比（SNR）30 dB，波形无谐波失真。
     

四、主要结果与逻辑关联
1. 衰落抑制效果：IPD-RVS将相位标准差从2.18 rad降至0.15 rad（图2e），使微弱振动信号可检测。
2. 空间分辨率验证：振动区域边缘上升/下降沿（图3）实测分辨率12 cm，接近理论值。
3. 动态范围与灵敏度：应变分辨率1 nε/√Hz（图4c-d），支持千赫兹级高频振动监测。
4. 串扰抑制机制：τeff与CSR的关系（图5c）证实短脉宽可有效抑制振动信号泄漏，为多振动同步检测奠定基础。

五、结论与价值
本研究通过Φ-OFDR架构创新解决了高分辨率DAS中的串扰难题，其科学价值在于：
1. 方法学突破：IPD-RVS联合策略为动态相位解调提供了新范式。
2. 技术指标领先：12 cm分辨率与1 nε/√Hz灵敏度优于同类文献（如文献[13]的20 cm/200 nε）。
3. 应用潜力：适用于飞机机翼、直升机叶片等需厘米级监测的场景，为结构健康监测提供新工具。

六、研究亮点
1. 首次实现千赫兹级多振动波形恢复，突破OFDR动态测量瓶颈。
2. 自研信号处理算法：IPD-RVS无需3×3耦合器或互相关计算，简化系统复杂度。
3. 全光纤兼容性：采用普通单模光纤，无需特殊处理，降低成本。

七、其他价值
实验验证了注入锁定技术（文献[19]）对光源稳定性的提升，为长距离传感提供参考。此外，相位差分法（式3）的线性响应特性（图4）为定量应变分析奠定理论基础。

（注：专业术语如Φ-OFDR、IPD、RVS等在首次出现时标注英文原词，后续直接使用中文译名。）