基于同相/正交（I/Q）零差检测实现偏振不敏感光频域反射计的研制及其在分布式光纤传感中的初步应用

2021年，由 Alin Jderu（罗马尼亚布加勒斯特理工大学；罗马尼亚布加勒斯特SC NanoPro Start MC.公司）、Marcelo A. Soto（智利圣玛丽亚技术大学电子工程系）、Marius Enachescu（罗马尼亚科学院；罗马尼亚布加勒斯特理工大学）以及主导作者 Dominik Ziegler（罗马尼亚布加勒斯特SC NanoPro Start MC.公司）联合完成的一项研究，在欧洲光学学会旗下期刊 Journal of the European Optical Society-Rapid Publications 上以开放获取形式发表。该研究聚焦于光学传感领域，特别是分布式光纤传感技术。研究的核心驱动力在于，光学频域反射计（Optical Frequency-Domain Reflectometry， OFDR）相较于传统的光时域反射（OTDR）技术，能够实现高空间分辨率与高信噪比结合的精密测量，在结构健康监测、管道与电力线监控、周界安防等应用领域展现出巨大潜力。然而，实现高精度OFDR系统面临诸多挑战，例如瑞利后向散射信号的偏振随机漂移会严重影响探测的稳定性与可靠性。为克服这一关键挑战，本研究旨在开发并构建一种新型的、具备偏振和相位分集功能的OFDR传感平台，其核心是利用双偏振90°光学混频器实现稳健的同相/正交（I/Q）零差检测，从而实现对沿光纤分布的应变与温度变化的高分辨率、高精度测量。研究的具体目标包括详细阐述该偏振不敏感OFDR系统的工作原理、硬件实现、数据处理流程，并通过初步的温度传感实验验证其性能指标，为构建可靠、高性能的OFDR传感器提供完整的工程与理论指导。

本研究的工作流程可分为几个紧密衔接的步骤：系统设计与搭建、信号采集与处理算法开发、以及实验验证与性能评估。首先，研究团队设计并实现了一套集成的光电OFDR系统。其核心硬件选型与配置如下：光源为一台可调谐激光器，其被设置为在1541 nm至1564 nm的23 nm光谱范围内以100 nm/s的速率进行线性扫频，每次扫描获得一条数据轨迹（trace）的时间为230毫秒，对应约4.3 Hz的采样率。为了实现偏振和相位不敏感检测，系统摒弃了传统的光耦合器加偏振分束器的方案，转而采用了基于双偏振90°光学混频器的完整I/Q零差检测方案。该光学混频器接收来自传感光纤的瑞利散射信号和来自光源分光的本振光信号，并产生四对相位差依次为90°的输出光信号（对应于两个正交偏振态）。这四对光信号被分别送入四个平衡光电探测器，每个探测器接收一对互补（相位差180°）的输出，以抑制检测过程中的直流基底噪声。四个探测器的电信号随后被一张16位模数转换卡同步采集，并通过基于LabVIEW开发的软件环境进行全自动控制与处理。该软硬件系统构成了具有相位和偏振分集能力的鲁棒检测平台。传感对象为一段3米长的标准单模光纤，其远端经过处理以消除反射干扰。

其次，研究团队详细设计并编程实现了从原始光电信号中提取瑞利频移（对应温度或应变变化）的完整数据处理流程。这一流程是本研究在算法层面的核心创新。具体步骤如下：1. 信号合成：将从四路平衡探测器获得的数字化电压信号（记作A, B, C, D），合成为同相（I）和正交（Q）分量，公式为 I = A + C， Q = B + D。这步操作充分利用了光学混频器提供的相位信息。2. 计算场振幅：利用合成的I和Q分量，计算瑞利散射电场的复振幅，即 sqrt(I^2 + Q^2)。由于激光波长在扫描，该振幅序列代表了光纤的频率响应。3. 距离域转换：对上述频率响应信号进行快速傅里叶变换，将信号从频域转换到距离域，得到沿光纤分布的瑞利散射强度剖面。4. 局部频谱分析：为了获取位置分辨的温度/应变信息，需在距离域上对信号进行分段处理。对经过加窗分段后的瑞利剖面数据，逐段进行逆傅里叶变换，得到沿光纤每个局部位置对应的瑞利散射频谱（局部参考频谱）。5. 互相关分析：这是提取外界扰动信息的关键步骤。将当前测量得到的局部瑞利频谱与在已知参考条件下（如初始温度）测得的参考频谱进行圆互相关运算。研究特别强调必须使用圆互相关（而非常规线性互相关），因为圆互相关能产生平坦的背景和清晰可辨的相关峰，而线性互相关会产生三角波背景，难以精确检测峰位。互相关峰值的频移量，直接正比于该局部光纤的折射率变化，进而与温度和应变变化相关。6. 大动态范围测量策略：研究发现，当温度（或应变）变化较大时，互相关峰的幅值会衰减，导致峰值检测困难。为此，研究引入了一种参考轨迹更新策略：当检测到的瑞利频移超过预设阈值（例如对应约1 K的温度变化）时，将当前测量轨迹更新为下一次测量的参考。通过这种差分累加的方式，可以实现大范围温度变化下的可靠追踪。所有数据采集、扫频触发以及上述处理流程，均通过自主开发的LabVIEW软件集成控制，用户界面包含数据采集、信号处理、数据可视化和记录等多个模块。

第三，为评估所构建OFDR系统的实际性能，研究团队设计了温度传感验证实验。实验对象为一小段（约1米）标准单模光纤，将其浸入水浴中，并使用热板阶梯式加热。同时使用高分辨率（10 mK）温度计监测实际水温作为基准。系统在温度从25°C逐步升至37°C的过程中连续采集数据。每次测量均以25°C下的数据作为初始参考，应用上述数据处理流程进行分析。

本研究的核心结果及其分析逻辑清晰地展示在上述实验验证过程中。首先，初步结果验证了系统的基本功能。当温度变化较小时（例如与参考温度相差几度时），系统能够清晰地检测出浸入光纤部分的瑞利频移，并反演出可靠的温度分布剖面。这证明了I/Q零差检测方案和基础数据处理流程的有效性。然而，研究发现了一个关键问题：当温度变化较大时（如在图5a中显示的整个12度温升范围），如果始终使用初始参考谱，互相关峰的幅值会显著降低，导致峰值定位不可靠，反演出的温度剖面出现错误（如图5b所示）。这一现象凸显了OFDR在大动态范围测量时的固有限制。然后，研究通过引入前述的参考更新策略，成功解决了这一问题。通过每当频率偏移超过约1.2 GHz（约对应1 K）就更新一次参考，并计算相邻两次测量间的差分频移，最终累积得到绝对温度变化。采用该策略后，即便在较大的温度变化范围内，也能获得清晰、可靠的相关峰和精确的温度剖面（如图6a和b所示）。这证实了所开发的大动态范围测量算法的实用价值。最后，研究给出了系统的关键性能指标。通过分析未受温度变化影响光纤位置的温度剖面噪声，系统在4.3 Hz采样率下的温度分辨力达到了0.1 K。空间分辨率则受限于用于计算局部频谱的IFFT滑动窗口长度，在本研究设置为2000点的条件下，空间分辨率为5 cm。此外，通过绘制浸水光纤段的平均瑞利频移与温度计实际读数之间的关系（图7b），得到了约1.2 GHz/K的线性灵敏度，这与基于二氧化硅光纤的理论预期值相符，验证了测量结果的准确性。

本研究的主要结论是，成功开发并实现了一种基于偏振和相位分集I/Q零差检测的短距离分布式光纤OFDR传感平台，并验证了其在温度测量方面的优异性能。该研究的科学和应用价值体现在多个层面。在科学价值方面，它提供了一套完整的、从光电硬件配置到专用信号处理算法的OFDR系统实现方案，特别是详细阐明了利用双偏振90°光学混频器克服偏振敏感性问题的方法，以及基于圆互相关和参考更新策略实现高精度、大动态范围测量的数据处理流程，为相关领域的研究人员提供了详尽的技术指南。在应用价值方面，所开发的平台具有高分辨率（厘米级）、高精度（0.1 K）、快速响应（一次测量230毫秒）和强鲁棒性（偏振不敏感）的特点，可直接应用于对空间分辨率和测量稳定性要求苛刻的工业和科研场景，如微小型结构的健康监测、实验室精密温度场分布测量等。研究同时指出，系统的空间分辨率与温度分辨力之间存在权衡关系：通过减少IFFT点数可以提高空间采样间隔（例如降至1 cm），但会牺牲温度分辨力（可能降至0.5 K）；同样，通过平均多次测量可以提高分辨力，但会降低时间采样率。这为用户根据实际需求优化系统配置提供了明确指导。

本研究的主要亮点和创新之处在于：1. 新颖的系统架构：将原本广泛应用于高速光通信领域的双偏振I/Q零差相干接收技术，创造性地应用于OFDR分布式光纤传感系统，从根本上解决了传统方案因偏振态随机变化导致的信号衰落和测量不稳问题，实现了真正的偏振不敏感探测。2. 完整的算法与软件实现：开发了从原始四路信号合成、复数场重建、到基于圆互相关的局部频移提取，再到支持大动态范围测量的自适应参考更新策略等一系列完整的数据处理算法，并集成于自主开发的LabVIEW软件中，实现了自动化测量。3. 验证了卓越的初步性能：在不进行平均的快速单次测量（230 ms）下，同时实现了5厘米的空间分辨率和0.1开尔文的温度分辨率，展示了该技术方案在兼具高速度与高精度方面的巨大潜力。4. 提供了详尽的工程指导：论文对系统原理、硬件选择、实现难点、数据处理步骤及性能权衡进行了极为详尽的描述，具有很强的可重复性和参考价值，对于推动OFDR技术的工程化应用具有重要意义。这些工作共同构成了一份关于构建高性能、鲁棒性OFDR系统的全面技术报告。