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作者及机构
本研究的通讯作者为Kevin P. Chen，其他作者包括Qirui Wang、Kehao Zhao、Mudabbir Badar、Xinruo Yi、Ping Lu（OFS Fitel, LLC）、Michael Buric（美国国家能源技术实验室）及Zhi-Hong Mao，均来自美国匹兹堡大学电气与计算机工程系。研究发表于IEEE Sensors Journal 2022年10月刊（Volume 22, Issue 19）。

学术背景

研究领域与动机
本研究属于分布式光纤传感（Distributed Fiber Sensing）领域，聚焦于提升光学频域反射技术（OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry）的性能并降低其成本。传统OFDR依赖高成本可调谐激光器（TL, Tunable Laser）和低噪声探测器，因标准通信光纤的瑞利背向散射（Rayleigh Backscattering）信号极弱（设计初衷为低损耗通信），导致信噪比（SNR）不足。

科学问题与目标
研究团队提出通过飞秒（fs）激光直写技术增强光纤的瑞利背向散射信号（提升40 dB以上），从而允许使用低成本TL（调谐范围仅1 nm，远低于商用OFDR的40–80 nm）实现分布式应变测量。核心目标包括：
1. 验证增强背向散射光纤对OFDR性能的提升；
2. 量化SNR增强对空间分辨率和应变测量精度的影响；
3. 开发图像处理算法（中值滤波）以优化低数据量下的测量结果。

研究方法与流程

1. 增强背向散射光纤的制备

• 对象与工艺：采用标准通信光纤（Corning SMF-28e+），通过飞秒激光（800 nm波长、270 fs脉宽、250 kHz重复频率）在纤芯中心区域制造2 μm×2 μm×6 μm的改性点，以1 mm/s速度连续写入。
  
• 实时监控：使用商用背向散射反射仪（Luna OBRI 4600）监测信号增强（40 dB）与传播损耗的平衡。
  
• 对比样本：包括紫外（UV）增强光纤（OFS AcoustiSens，提升10 dB）和未改性光纤。
  

2. OFDR系统搭建与非线性校正

• 硬件配置：
  
  • 激光源：低成本TL（Furukawa Fitel FRL15DCWD，调谐范围1 nm）；
    
  • 干涉仪：主干涉仪（含偏振控制器和待测光纤）与辅助干涉仪（用于校正TL非线性调谐）；
    
  • 应变施加：1米光纤段通过平移台（Newport 423系列）施加10–50 με应变，步长10 με。
    
• 信号处理：
  
  • 通过希尔伯特变换提取辅助干涉仪相位信息，线性化频率扫描；
    
  • 采用滑动窗口交叉相关算法（窗口大小110数据点，空间分辨率88 mm）计算应变引起的瑞利谱偏移。
    

3. 图像处理优化

• 问题：窄调谐范围导致空间分辨率下降（48 mm时交叉相关结果噪声显著）。
  
• 解决方案：
  
  • 重叠窗口分割：窗口60数据点，步长6点，缓解分辨率损失；
    
  • 中值滤波（3×1核）：抑制异常突变，使应变测量均方根误差（RMSE）从26.31 με降至2.64 με。
    

主要结果

1. 背向散射增强效果

   • fs激光增强光纤在1.6米段内实现50 dB信号提升，应变测量RMSE低至1.23 με（UV光纤为4.18 με，标准光纤无法有效测量）。
     
   • 40 dB增强段的应变灵敏度系数为0.149 GHz/με，与文献报道一致。
     

2. 空间分辨率与成本权衡

   • 1 nm调谐范围下，fs增强光纤可实现48 mm分辨率（传统OFDR需80 nm调谐达到10 mm）；
     
   • 窗口数据点从110减至60时，中值滤波将RMSE降低89%（图8a）。
     

3. 背向散射增强的边际效应

   • 信号增强超过20 dB后，进一步优化对测量精度提升有限（图8b）：40 dB段RMSE 2.45 με，20 dB段3.18 με。
     

结论与价值

科学意义
- 证明了低成本TL（如电信DFB激光器）结合增强背向散射光纤可替代高成本OFDR系统，拓宽分布式传感的应用场景。
- 揭示了背向散射增强与测量精度的非线性关系，为光纤设计提供量化依据。

应用价值
- 适用于长距离基础设施（如管道、电网）监测，降低部署成本；
- 图像处理算法可推广至其他低SNR分布式传感系统。

研究亮点

1. 技术创新：
   
   • 飞秒激光直写技术实现50 dB背向散射增强，为迄今报道的最高值之一；
     
   • 首次在1 nm调谐范围内实现分布式应变测量。
     
2. 方法学贡献：
   
   • 中值滤波与重叠窗口结合的算法，解决了窄调谐范围下的噪声问题；
     
   • 系统性量化了信号增强、空间分辨率与成本的平衡关系。
     

其他发现

• 光纤改性位置（纤芯中心 vs. 包层界面）对信号增强和损耗有显著影响（核心区优化可减少额外损耗）。
  
• 研究受美国能源部资助（DE-NE0008686/8994），部分实验依托国家能源技术实验室完成。
  

（报告字数：约2000字）