基于I/Q零差探测的偏振不敏感光频域反射仪的实现研究学术报告

本研究由隶属于罗马尼亚布加勒斯特SC NanoPro Start MC公司的Alin Jderu与Dominik Ziegler、罗马尼亚布加勒斯特理工大学（University Politehnica Bucharest）的Alin Jderu与Marius Enachescu，以及智利圣玛丽亚费德里科理工大学（Universidad Técnica Federico Santa María）的Marcelo A. Soto共同合作完成。研究成果以《Realization of a polarization-insensitive optical frequency-domain reflectometer using an I/Q homodyne detection》为题，于2021年发表在《Journal of the European Optical Society-Rapid Publications》期刊上。

一、 学术背景与目标

本研究属于光纤传感（Optical Fiber Sensing）领域，具体方向为分布式光纤传感（Distributed Optical Fiber Sensing）。该技术因其可对沿光纤路径的应变、温度等物理量进行连续空间测量，在结构健康监测、管道监控、周界安防等诸多领域展现出巨大应用潜力。其中，光频域反射仪（OFDR）是分布式光纤传感的一种重要实现方式，其通过在频域内扫描激光频率并结合相干探测，能够实现远高于传统光时域反射仪（OTDR）的空间分辨率与信噪比。

然而，OFDR系统的实际应用面临挑战。光纤中的瑞利散射信号偏振态会随光纤扭曲或环境扰动而随机变化，这直接影响相干探测的稳定性和测量可靠性。传统的OFDR系统采用偏振分集接收方案（如使用偏振控制器和偏振分束器），但其性能易受本振光偏振漂移的影响，且需要额外的中频偏移来进行可靠的相位估计，系统鲁棒性有待提升。

基于此背景，本研究团队的研究目标是：开发并实现一个具有偏振不敏感特性的高性能OFDR传感平台。具体而言，他们旨在设计一套集成化的OFDR系统，利用基于双偏振90度光学混频器的I/Q零差探测技术，从根本上解决偏振敏感性问题，同时实现高空间分辨率、高温度分辨率的稳定测量，并为构建可靠、稳健的高分辨率OFDR传感器提供一套可遵循的详细指南。

二、 详细工作流程

本研究的工作流程可以清晰地划分为硬件系统构建、信号处理算法实现以及实验验证三个主要部分。

第一部分：硬件系统构建与工作原理 研究团队摒弃了传统使用偏振分束器的偏振分集方案，转而采用了一种更先进的基于双偏振90度光学混频器（Dual-Polarization 90° Optical Hybrid）的I/Q零差探测方案。该方案构成了整个OFDR传感平台的核心。

1. 系统架构：如图1b所示，系统主要组件包括：一个可调谐激光器（Phoenix 1400, Luna），用于产生波长扫描的连续光；一个双偏振90度光学混频器（Kylia, COH28），其核心作用是将来自传感光纤的瑞利后向散射信号（S）与本地参考光（LO）进行干涉；四个平衡光电探测器（Thorlabs, PDB470C），用于接收混频器输出的四对互补光信号；以及一个多通道数据采集卡（National Instruments, PCIe-6376）。
2. 创新探测机制：双偏振90度光学混频器是一种无源光学器件，能够将输入的两路光信号（S和LO）组合，并输出八路光信号（四个正交偏振态，每个态包含相位相差90度的两个互补端口）。这些输出端口成对（相位差180度）地连接到四个平衡光电探测器上。经过平衡探测后，系统最终获得了四路电信号（A, B, C, D）。这四路信号实质上包含了瑞利散射信号电场相对于本振光在两个正交偏振态上的同相（I）分量和正交（Q）分量信息。
3. 实现偏振与相位分集：通过同时获取两个偏振态上的I/Q分量，系统实现了完全的偏振分集。这意味着无论传感光纤返回的瑞利散射信号的偏振态如何随机变化，系统都能完整地捕获其所有偏振信息，从而使得测量对偏振波动完全不敏感。同时，I/Q探测本身就提供了相位分集能力，无需额外的频率偏移即可精确解调出信号的幅度和相位信息。这种设计大大增强了系统的稳定性和鲁棒性。

第二部分：信号处理与数据提取算法 获取原始电压信号后，需要通过一系列数字信号处理步骤来提取沿光纤分布的应变或温度信息。处理流程如图3所示，具体步骤如下：

1. 信号合成：首先，利用四个平衡探测器输出的信号（A, B, C, D）计算瑞利散射电场的复振幅。具体地，同相分量 (I = A + C)，正交分量 (Q = B + D)，则电场振幅为 (\sqrt{I^2 + Q^2})。
2. 距离域映射：由于激光波长是连续扫描的，上述计算出的振幅序列实际上是光纤瑞利散射的频率响应。通过对这个频率响应序列进行快速傅里叶变换（FFT），即可将其转换到距离域，得到光纤沿线的瑞利散射幅度分布图。
3. 局部频谱分析与互相关计算：为了测量局部（如某一点）的温度或应变变化，需要对距离域信号进行加窗（滑动窗口）处理，并对每个窗口内的数据段进行逆傅里叶变换（IFFT），从而得到该局部光纤段的瑞利散射频谱（或称“瑞利指纹”）。为了检测变化，需要将当前测量得到的局部频谱与一个在已知参考条件下（如初始温度）测得的参考频谱进行比较。
4. 关键算法：循环互相关：本研究采用了一种循环互相关算法来执行上述比较。该算法计算当前局部频谱与其参考频谱的归一化循环互相关函数。当光纤局部折射率因温度或应变发生变化时，其瑞利频谱会发生频移。通过精确检测互相关函数峰值的位置（即峰值频率），即可定量得到这一频移量。文中特别强调，使用循环互相关（而非常规互相关）至关重要，因为它能产生一个平坦的背景和一个尖锐的互相关峰，从而使得峰值检测更加可靠和精确。该峰值频率的偏移量与局部温度/应变变化成正比。
5. 大动态范围测量策略：研究发现，当温度变化较大时，当前频谱与最初参考频谱的相似度下降，导致互相关峰值幅度减弱，难以准确检测。为了解决这一问题，研究团队提出了一种参考谱动态更新策略：当检测到的频率偏移超过一个设定的阈值（例如，对应约1K的温度变化）时，系统将当前频谱作为新的参考频谱，用于与下一次测量进行比较。这样，系统始终追踪的是相对较小的差分变化，从而保证了在大范围变化下测量的可靠性。最终通过累加这些差分变化，可以还原出绝对的温度或应变分布。
6. 系统集成与自动化：所有数据采集、激光扫描触发、以及上述复杂的信号处理流程均通过一个基于LabVIEW开发的软件环境实现自动化运行。该软件集成了数据采集、信号处理、数据可视化和数据记录功能。

第三部分：实验验证 为了评估所开发的OFDR系统的性能，研究团队设计了一个简单的温度传感实验。

1. 实验对象与处理：实验使用了一段3米长的标准单模光纤作为传感光纤。将其中的约1米浸入水浴中，其余部分置于室温环境。水浴通过加热板逐步升温，并使用高精度温度计（分辨率为0.01K）监测水温作为真值参考。
2. 实验过程：在逐步升温的过程中，OFDR系统以4.3 Hz的采样率（即每0.23秒采集一条完整的传感曲线）连续记录数据。系统首先在25°C时记录一条参考曲线。随后，对于每个升温后的状态，系统按照上述信号处理流程，计算浸入水浴部分光纤相对于参考状态的瑞利频移。

三、 主要研究结果

实验数据清晰地验证了所开发OFDR系统的性能。

1. 温度分布测量结果：图5a展示了在12个不同温度下（25°C至37°C），沿光纤的差分互相关图。图中可以明显看到，在未受热的光纤段（如150 cm附近），互相关峰位于零频移处；而在浸入水浴的光纤段（约25 cm至100 cm），互相关峰发生了明显的频移，且频移量随水温升高而增大。然而，图5b显示，当温度变化较大时（例如从25°C参考点直接测量37°C），互相关峰值幅度显著衰减，导致提取的温度轮廓变得不可靠。
2. 动态参考更新策略的有效性：应用了动态参考更新策略后，结果得到显著改善。如图6所示，系统通过将每次测量与前一次测量结果进行差分互相关，始终能获得清晰、可靠的互相关峰。将这些差分频移累加起来，便得到了如图7a所示的沿光纤的绝对温度分布图。该图清晰地显示了水浴区域温度均匀升高，而室温区域温度保持稳定。
3. 系统性能指标：
   • 空间分辨率：系统实现了5厘米的空间分辨率。文中指出，这一分辨率受限于用于计算局部频谱的IFFT窗口长度（2000个点）。可以通过减小窗口长度来提高空间采样间隔，但这会以牺牲温度分辨率为代价。
   • 温度分辨率：在未受温度影响的光纤位置，测量结果的标准偏差为0.1K，这即代表了系统的温度分辨率。
   • 温度灵敏度：通过分析水浴区域的平均频移与温度计读数之间的关系（图7b），得到了一条良好的线性响应曲线。线性拟合得出的灵敏度为1.2 GHz/K，这与石英光纤的典型温度灵敏度相符。
   • 测量速度：单次测量（采集一条完整曲线）时间仅为230毫秒，实现了快速测量。

四、 研究结论与价值

本研究成功开发并实现了一个基于OFDR技术的短距离分布式光纤传感平台，专门用于温度和应变监测。核心结论是：通过采用基于双偏振90度光学混频器的I/Q零差探测方案，成功构建了一个具有偏振和相位分集能力的OFDR系统。该系统从根本上解决了光纤偏振态随机变化对测量稳定性的影响，显著提升了传感器的可靠性和鲁棒性。

该研究的价值体现在以下几个方面： 1. 科学价值：为高分辨率、高稳定性的分布式光纤传感提供了一套完整且优化的技术方案，详细阐述了从硬件设计（特别是先进的相干接收方案）到软件处理（特别是循环互相关算法和动态参考更新策略）的全流程，可作为该领域研究人员构建类似系统的一份详细“指南”。 2. 技术价值：实现了快速（230毫秒/次）、高空间分辨率（5厘米）、高温度分辨率（0.1K）的分布式温度测量，证明了所提方案的实际效能。文中还探讨了空间分辨率与温度分辨率之间的权衡关系，为实际应用中的参数优化提供了依据。 3. 应用价值：系统集成度高，所有光电子元件被集成于一个紧凑的机箱内，并配备了全自动的数据采集与处理软件，这使其更易于向实际工业监测应用（如精密设备温度场监测、小型结构应变监测等）推广。

五、 研究亮点

1. 创新性的系统架构：采用商用双偏振90度光学混频器实现I/Q零差探测，是本研究最大的亮点。这种方案将通信领域成熟的相干接收技术创造性地应用于OFDR传感，完美解决了偏振敏感性问题，大幅提升了系统的稳定性和实用性。
2. 稳健的信号处理算法：明确并强调了使用循环互相关算法进行频谱比对的重要性，这是实现高精度频移检测的关键。同时，提出的动态参考谱更新策略，有效解决了大范围温度/应变变化下的测量难题，扩展了系统的动态范围。
3. 完整的工程化实现：研究不仅停留在原理验证，更展示了一个完整的、自动化的工程原型平台。从定制化的低噪声扫频激光驱动、高性能数据采集，到基于LabVIEW的全套控制与分析软件，体现了从理论到实践的全链条研发能力。
4. 清晰的性能验证：通过一个设计巧妙但足够说明问题的水浴加热实验，系统性地验证了温度分辨率、空间分辨率、灵敏度、线性度等关键性能指标，数据翔实，结论明确。

六、 其他有价值的细节

文中指出，所实现的5厘米空间分辨率相较于传统的相位敏感光时域反射技术（Φ-OTDR）提高了约两个数量级，凸显了OFDR技术在追求高空间分辨率应用中的优势。此外，研究团队也提及了系统的灵活性，例如可以通过调整IFFT窗口点数来权衡空间分辨率与温度分辨率，或通过信号平均在更低采样率下获取更高分辨率，这为适应不同应用场景的需求提供了灵活性。最后，文章对90度光学混频器的不同实现技术（如自由空间型、阵列波导光栅型）做了简要介绍，体现了对核心器件技术背景的深入理解。