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基于两种光纤的OFDR分布式应变与温度区分测量研究学术报告
一、 研究作者与发表信息
本研究的核心作者团队来自中国天津大学。主要作者包括Zhenyang Ding（丁振洋）、Di Yang（杨迪）、Yang Du（杜阳）、Kun Liu（刘琨）、Yonghan Zhou（周永晗）、Rao Zhang（张娆）、Zhexi Xu（许哲熙）、Junfeng Jiang（蒋俊锋）以及通讯作者Tiegen Liu（刘铁根）。所有作者均隶属于天津大学精密仪器与光电子工程学院，同时也是教育部光电信息技术科学重点实验室（天津大学）的成员。该项研究成果以题为《Distributed Strain and Temperature Discrimination Using Two Types of Fiber in OFDR》的论文形式，发表于2016年10月的《IEEE Photonics Journal》（第8卷，第5期）。论文的DOI编号为10.1109/JPHOT.2016.2605011。
二、 研究背景与目的
本研究隶属于光纤传感技术领域，具体聚焦于分布式光纤传感（Distributed Fiber Optical Sensors, DFOS） 中的应变与温度同时区分测量这一核心挑战。分布式光纤传感能够沿数公里长的光纤连续测量温度或应变，在基础设施健康监测、航空航天、建筑结构安全等领域具有巨大应用潜力。其中，基于光学频域反射计（Optical Frequency Domain Reflectometry, OFDR） 和瑞利后向散射光谱（Rayleigh Backscattering Spectra, RBS）偏移的传感技术，因其高灵敏度与高空间分辨率而备受关注。该技术将光纤沿线的随机缺陷引起的瑞利散射视作一个“弱光栅”，应变或温度的变化会导致局部RBS发生偏移，通过测量偏移量即可实现传感。
然而，一个关键的局限性在于：单次RBS偏移测量对应变和温度均敏感，其响应是二者共同作用的结果。这使得单纯依靠一根标准单模光纤（Standard Single-Mode Fiber, SMF）的测量无法区分应变效应和温度效应，严重制约了该技术在复杂环境（应变与温度同时变化）下的可靠应用。此前，已有研究尝试解决该问题，例如使用保偏光纤（Polarization Maintaining Fiber, PMF），通过其两个正交偏振轴的瑞利散射信号（自相关与互相关信号）的不同灵敏度来区分应变与温度。但该方法存在显著缺陷：其自相关信号的应变灵敏度比互相关信号低111倍，温度灵敏度低40倍，这严重影响了整体测量性能。另一种方案结合了OFDR和布里渊光时域分析（B-OTDA），但系统复杂且成本高昂。
因此，本研究的主要目的是提出一种简单、有效且高性能的方法，以实现分布式应变与温度的同步区分测量。其核心思路是：并排使用两种不同类型的单模光纤作为传感光纤，利用它们对应变和温度不同的灵敏度响应系数，通过解耦方程组，从两个测量信号中同时求解出应变和温度的变化量。
三、 研究详细工作流程
本研究的工作流程系统而严谨，主要包括以下几个关键步骤：
1. 实验系统搭建与传感结构设计： * OFDR系统搭建： 研究团队构建了一套完整的OFDR测量系统。系统核心为一个可调谐激光源（Tunable Laser Source, TLS），其调谐范围为2.5 THz（约20 nm），起始波长为1520 nm。激光通过一个1:99耦合器分出两路。1%的光进入一个辅助干涉仪（迈克尔逊干涉仪），用于产生外部时钟信号，以补偿激光调频的非线性，确保数据采集在等光频间隔上进行。99%的光进入主测量系统。 * 双光纤传感探头制备： 这是本研究的创新点之一。研究团队选择了两种不同的单模光纤并排粘接作为传感探头：一种是标准单模光纤（SMF），其包层直径为125微米；另一种是细包层单模光纤（Reduced-Cladding SMF, RC-SMF），其包层直径减小至80微米。这两种光纤被并排紧密地粘贴在悬臂梁上，并共同穿过一个加热带。这种设计确保施加在悬臂梁上的应变和加热带产生的温度能够同时、同等地作用于两根光纤，为后续的同步测量与解耦提供了物理基础。
2. 灵敏度系数标定： * 独立变量施加： 为了获取两种光纤各自的应变和温度灵敏度系数（(k_s) 和 (kt)），研究首先进行了标定实验。对应变灵敏度标定，通过悬臂梁施加砝码，产生从0到150微应变（με）的应变变化，步进为15 με。对温度灵敏度标定，通过加热带控制温度在52°C至64°C范围内变化，步进约为1°C。每次只改变一个变量（应变或温度），另一个保持不变。 * RBS偏移测量与线性拟合： 对于每一个应变或温度变化值，OFDR系统测量并计算两根光纤在传感点（位于悬臂梁和加热带覆盖处，约距光纤起始端34.4米）的RBS频率偏移（Δυ）。将测得的RBS偏移量Δυ与施加的应变变化Δε或温度变化ΔT进行作图，并通过线性拟合得到斜率。该斜率即为对应光纤的灵敏度系数。 * 标定结果： 实验结果表明，对于标准SMF，其应变灵敏度系数 (k{s1} = 0.0338) GHz/με，温度灵敏度系数 (k{t1} = 2.1385) GHz/°C。对于细包层SMF（RC-SMF），其应变灵敏度系数 (k{s2} = 0.1481) GHz/με，温度灵敏度系数 (k{t2} = 3.4747) GHz/°C。一个重要的发现是，RC-SMF的应变和温度灵敏度均高于标准SMF（应变灵敏度约为4.38倍，温度灵敏度约为1.62倍）。这为后续实现低误差的解耦测量奠定了数学基础，因为两根光纤的灵敏度响应矩阵必须满足可逆条件（(k{s1}k{t2} - k{t1}k_{s2} \neq 0)）。
3. 应变与温度同时变化下的同步测量与解耦验证： * 双参数同时施加： 在标定完成后，研究进入核心验证阶段。此时，同时对并排粘贴的两种光纤施加应变和温度变化。应变变化范围仍为0至150 με，温度变化范围为0至12°C，共设置了11个测量点，覆盖不同的应变-温度组合。 * 同步数据采集与解耦计算： 在每个测量点，OFDR系统同时获取标准SMF和RC-SMF的RBS偏移量，分别记为Δυ₁和Δυ₂。由于每个偏移量都是应变和温度变化的线性组合（Δυ = (k_s)Δε + (kt)ΔT），因此可以建立一个二元一次方程组。利用之前标定得到的四个灵敏度系数（(k{s1}, k{t1}, k{s2}, k_{t2})），通过求解该方程组的逆矩阵，即可从两个测量值（Δυ₁, Δυ₂）中唯一地解算出应变变化量Δε和温度变化量ΔT。 * 数据处理与空间分辨率： 研究中，OFDR系统的空间分辨率由滑动窗口宽度决定，本研究设置为18厘米。这意味着系统能够以18厘米的间隔沿50米长的传感光纤进行分布式测量，报告的结果是特定传感位置（悬臂梁/加热带处）的数据。
4. 误差分析与性能评估： * 测量误差计算： 将上述方法解算出的应变和温度值（测量值）与通过砝码重量和铂电阻温度计读出的真实值进行对比。计算每个测量点的绝对误差。 * 性能展示： 实验结果表明，在整个测量范围内，应变的最大测量误差为7.97 με，温度的最大测量误差为0.316°C。这证明了该方法在50米测量距离、18厘米空间分辨率下，能够以较高的精度实现应变和温度的同步区分测量。 * 理论误差分析与比较： 研究进一步从理论上分析了本方法的误差传递特性，并与之前提到的PMF方法进行了对比。分析表明，本方法的最大测量误差（相对于仅用单根标准SMF测量单参数时的误差）并未显著恶化（应变误差约为单参数测量的0.94倍，温度误差约为1.94倍）。而PMF方法由于自相关信号灵敏度极低，其理论误差会被放大数十倍（应变误差放大64.1倍，温度误差放大63.1倍），凸显了本方法在性能上的优势。
四、 研究主要结果
本研究在各个步骤中获得了关键性的结果，并层层递进，最终支撑起核心结论。
首先，在灵敏度标定实验中，研究成功获取了两种光纤精确的灵敏度系数。 这是整个研究的基础。线性拟合结果（图2和图3所示）不仅给出了具体的数值，更重要的是揭示了RC-SMF相对于标准SMF具有更高的应变和温度灵敏度。这一物理现象是该方法能够有效工作的前提。如果两根光纤的灵敏度响应完全一致或成比例，则方程组将无法求解。RC-SMF更高的灵敏度（尤其是应变灵敏度）确保了响应矩阵有良好的条件数，从而在数学上保障了解耦的可行性和低误差传递。
其次，在双参数同步测量实验中，研究直观地展示了单根光纤测量的局限性。 如图4所示，当应变和温度同时变化时，单根RC-SMF测得的RBS偏移是一个混合信号，无法从该单一信号中分辨出应变和温度各自的贡献比例。这清晰地复现了该领域长期面临的核心问题。
接着，通过引入第二根光纤（标准SMF）并利用预先标定的灵敏度系数进行解耦计算，研究成功地从混合信号中分离出了独立的应变和温度信息。 图5对比了解算出的测量值与真实值。结果显示，所有数据点都非常接近对角线（理想情况），证明了该解耦方法的有效性和准确性。具体量化的性能指标——最大应变误差7.97 με和最大温度误差0.316°C，为该方法的应用价值提供了强有力的数据支撑。
最后，理论误差分析结果将本研究的性能提升到了定量比较的层面。 通过公式推导，研究证明了由于RC-SMF的灵敏度更高，本方法的误差传递系数接近1，意味着其双参数测量的精度与使用单根标准SMF进行单参数测量的精度处于同一水平。这与PMF方法误差被显著放大的缺陷形成了鲜明对比。这一理论分析结果不仅解释了本实验获得高性能的原因，也为该方法相较于现有技术的优越性提供了坚实的理论依据。所有实验结果与理论分析高度自洽，逻辑链条完整。
五、 研究结论、意义与价值
本研究的主要结论是：提出并实验验证了一种基于两种不同类型光纤（标准SMF和细包层RC-SMF）的OFDR分布式传感新方法，该方法能够简单、有效地实现应变和温度的同步区分测量，且在50米传感距离、18厘米空间分辨率下，达到了7.97微应变和0.316摄氏度的测量精度。理论分析表明，其性能显著优于基于保偏光纤的现有方法。
该研究的价值体现在以下几个方面： * 科学价值： 为解决分布式光纤传感中应变-温度交叉敏感的经典难题提供了一种新颖且高效的思路。它打破了依赖单根特种光纤（如PMF）的思维定式，通过巧妙的组合使用两种普通但特性有差异的光纤，实现了更优的性能。这为后续的传感探头设计开辟了新的方向。 * 技术/应用价值： 该方法系统相对简单（无需复杂的偏振控制或额外的B-OTDA系统），成本较低（使用常规单模光纤及改进型），却实现了高性能的区分测量。这使得其在大型结构（如桥梁、大坝、风电叶片、管道）的健康监测中具有极高的应用潜力，能够准确分辨结构受力（应变）和环境温度变化，从而提高监测系统的可靠性和预警准确性。 * 启发性价值： 研究中对误差传递的深入理论分析，为评估和比较不同区分测量方法的性能提供了一个清晰的框架。文中提出的将双参数测量误差与单参数测量基准误差进行比较的思路，具有普遍的参考意义。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
论文在讨论部分还展望了未来的工作方向，包括计划使用单个主马赫 - 曾德尔干涉仪配合波分复用方案来替代目前系统中的两个干涉仪，以进一步简化系统。同时，作者也指出PMF方法使用单根光纤在布线简洁性上有优势，因此他们计划尝试制作将标准SMF和RC-SMF并排集成的双芯传感光缆，这将在保持方法高性能的同时，提升其工程实用性和可靠性。这些展望显示了研究者对技术实用化路径的思考。