本文档属于类型a：单篇原创研究报告。以下是针对该研究的学术报告：

作者及机构
本研究由Wei-Qi Qin、Guo-Ming Ma（IEEE高级会员）、Meng Zhang、Yuan Wang、Jun Jiang（IEEE高级会员）、Hongyang Zhou、Xilin Wang和Chao Yan共同完成。主要作者来自华北电力大学（State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources）和清华大学深圳国际研究生院（Guangdong Engineering Technology Research Centre），部分合作者来自南京航空航天大学和普林斯顿大学。研究成果发表于《IEEE Transactions on Industrial Electronics》2022年10月刊（第69卷第10期）。

学术背景
本研究属于电力设备状态监测与光纤传感交叉领域。电力变压器作为电网核心设备，其机械状态（如绕组变形、铁芯松动）的在线监测对电网稳定性至关重要。传统压电加速度计（piezoelectric accelerometer）易受电磁干扰且成本高，而现有光纤传感技术（如相位敏感光时域反射仪ϕ-OTDR）存在信噪比低或动态带宽不足的问题。因此，团队提出基于相位敏感光频域反射仪（phase-sensitive OFDR, ϕ-OFDR）的准分布式振动传感系统，旨在实现变压器油箱振动的高精度、抗干扰监测。

研究流程与方法
1. 系统设计与原理
- 传感单元构造：采用SC/UPC光纤连接器作为弱反射器（weak reflector），形成1米间隔的传感单元，每个单元粘贴于钢制振动盘上构成“听诊器”结构。
- 光学系统：基于可调谐激光源（TLS）构建主干涉仪和辅助干涉仪，主干涉仪通过测试光与参考光的干涉实现振动相位解调，辅助干涉仪用于补偿激光调频非线性。
- 信号解调算法：提出差分交叉相乘（DCM）算法从干涉信号中提取振动时域信息，并通过前向差分消除相位累积效应，实现多点振动独立解调。

1. 性能标定实验

   • 灵敏度测试：在100 Hz–1.2 kHz范围内，系统平均灵敏度为0.112 rad/g，频率响应衰减小于5 dB。
     
   • 检测极限：通过逐步降低振动幅度，确定系统最低可检测加速度为0.01 g（信噪比>7 dB）。
     
   • 多点振动区分：在1号单元施加100 Hz、3号单元施加300 Hz振动，验证系统可准确分离不同位置的振动信号。

2. 现场验证

   • 变压器测试：在10 kV油浸式变压器上安装三个传感单元，对比传统加速度计测量结果，频谱一致性良好（如100 Hz基频分量幅值误差%）。
     
   • 频谱校正：利用标定的灵敏度-频率曲线对原始频谱幅值进行校正，揭示变压器油箱振动主要集中于300–500 Hz频段。

主要结果
1. 系统性能
- 空间分辨率1米，理论检测频率上限12.5 kHz，实际验证带宽覆盖变压器典型振动范围（0–1.2 kHz）。
- 实验数据表明，系统在100 Hz时灵敏度为0.236 rad/g，800 Hz时降至0.0841 rad/g，但整体线性度优异（R²>0.99）。

1. 多点振动测试

   • 图11显示，1号单元的100 Hz振动与3号单元的300 Hz振动在频谱中清晰分离，且未发生串扰，验证了相位累积消除算法的有效性。

2. 现场应用

   • 图14显示变压器A、C相基频振动幅值（0.021 g）高于B相（0.015 g），与变压器对称结构导致的振动抵消效应吻合，证明系统具备工程实用性。

结论与价值
1. 科学价值
- 提出ϕ-OFDR与弱反射器阵列结合的新方法，突破传统OFDR动态带宽限制，为分布式振动传感提供了新思路。
- 开发的DCM算法首次实现变压器振动时域信号的高精度解调，弥补了现有技术仅能获取频谱的不足。

1. 应用价值
   
   • 系统抗电磁干扰特性使其适用于变电站强电磁环境，且单光纤多通道设计显著降低部署成本。
     
   • 可同步获取振动时域、频域及空间分布信息，为变压器机械状态在线监测提供全维度数据支持。

研究亮点
1. 技术创新
- 采用SC/UPC连接器作为标准化弱反射器，相比FBG（光纤布拉格光栅）降低制造成本，反射率均匀性提高30%。
- 辅助干涉仪实时补偿激光调频非线性，定位精度提升至厘米级（文献对比：传统OFDR为米级）。

1. 方法优势

   • 通过振动相位直接解调而非频谱偏移分析（如文献[24]），频率分辨率提高10倍，可检测更微弱的谐波成分。

2. 工程意义

   • 实验室与现场测试均验证系统可靠性，为电力设备智能运维提供了可推广的解决方案。

其他价值
- 研究获得中国国家自然科学基金（51977075等）及多个省部级项目支持，部分技术已申请专利。
- 团队开发的灵敏度校正方法可推广至其他频响非平坦的光纤传感系统。