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研究作者与机构及发表信息
本文的研究主要由黄敏南（Minnan Huang）、王梓豪（Zihao Wang）、冯宇翔（Yuxiang Feng）、范家明（Jiaming Fan）、王一山（Yishan Wang）以及吕立东（Lidong Lu*）完成，他们均来自安徽工业大学电气与信息工程学院。该研究于2024年8月10日发表在《应用光学》（Applied Optics）期刊上，文章编号为Vol. 63, No. 23。

学术背景
本研究属于分布式光纤传感技术领域，旨在开发一种新型的混合振动和温度监测系统。分布式光纤传感器因其抗电磁干扰、体积小、重量轻、耐腐蚀性强、被动监测和长距离分布式检测等优势，已被广泛应用于电力电缆状态参数监测、桥梁结构健康监测、石油管道泄漏检测、地质灾害监测和安全防护等领域。当光在光纤中传播时，会发生三种散射现象：瑞利散射（Rayleigh scattering）、拉曼散射（Raman scattering）和布里渊散射（Brillouin scattering）。基于瑞利散射的分布式光纤传感器常用于检测光纤衰减特性和振动，而基于拉曼散射的传感器则通常用于温度测量。尽管布里渊散射传感器可以同时实现温度和应变测量，但其系统结构复杂且成本高昂，难以与拉曼散射方案集成。因此，本研究提出了一种基于优化传统拉曼光时域反射仪（OTDR）方案的混合分布式光纤振动-温度监测系统，通过利用瑞利散射光实现振动感知功能，并采用新的温度校准单元和算法来动态校正数据，减少因脉冲激光源不稳定导致的温度测量误差。

研究工作流程
本研究包括实验设计、理论分析和实验验证三个主要部分。

1. 实验设计
   实验装置如图1所示，主要包括以下组件：脉冲激光器（PL）、光纤环形器（OFC）、波分复用器（WDM）、PIN光电探测器（PIN-PD）、雪崩光电探测器（APD）、数据采集卡（DAQ）和个人计算机（PC）。实验中使用的光纤测试段（FUT）是一根多模光纤（OM1，62.⁵⁄₁₂₅ µm），长度约为12 km，由两段分别长约3.3 km和8.6 km的光纤熔接而成。激光器输出波长为1550.12 nm，线宽约为6.0 MHz，脉冲宽度设置为60 ns，重复频率为6000 Hz。
   

在实验过程中，激光器发出的光脉冲经过光纤环形器和在线光纤偏振器后，被注入到波分复用器的1550 nm端口，并通过公共端口（COM）进入待测光纤（FUT）。当光脉冲在FUT中传播时，产生的背向瑞利散射光和拉曼反斯托克斯散射光（~1450 nm）被波分复用器分离至1550 nm通道和1450 nm通道。瑞利散射光经过在线光纤偏振器进行偏振分析后，通过光纤环形器的第二和第三端口转换为电信号电压信号，最终由DAQ提取形成OTDR轨迹数据。同时，拉曼反斯托克斯散射光通过雪崩光电探测器转换为电信号电压信号，并由DAQ的另一通道获取对应的OTDR轨迹数据。

1. 理论分析

   • 振动解调理论
     振动监测系统基于典型的偏振敏感OTDR结构，利用背向瑞利散射光的偏振信息定位扰动位置。振动事件会导致背向瑞利散射光的偏振状态发生变化，从而引起检测光功率在振动位置及其后沿光纤的相应变化。通过光纤衰减补偿算法消除光纤衰减影响后，采用差分轨迹方法结合阈值判别法识别和定位振动事件。

   • 温度解调理论
     温度感知系统基于拉曼反斯托克斯信号的温度敏感性，采用单通道解调方案，仅使用反斯托克斯光进行温度测量。为解决光源不稳定性和环境波动对测量精度的影响，引入功率校正因子（r），通过温度校准单元（TCU）动态校正数据。

2. 实验验证
   实验分为振动监测和温度测量两个部分。在振动监测实验中，通过轻微拍打光纤的不同位置模拟振动事件，记录并分析OTDR轨迹数据。在温度测量实验中，将一段约45 m的光纤置于恒温水浴中，逐步加热至30°C至90°C，每次升温10°C，记录并分析对应的OTDR轨迹数据。

主要结果
1. 振动监测结果
实验结果显示，在光纤长度约12 km、激光脉冲宽度为60 ns的情况下，系统的空间分辨率达到6 m。通过改进的差分轨迹方法，能够有效识别和定位振动事件。例如，在约3.30 km和11.70 km处加载的振动事件分别被精确定位为3.308 km和11.737 km，与实际位置高度吻合。此外，通过光纤衰减补偿算法，解决了传统方法中因光纤衰减导致的阈值选择困难问题，显著降低了误报率。

1. 温度测量结果
   在室温（25.2°C）环境下，系统首先采集拉曼反斯托克斯散射光的OTDR轨迹作为校准数据。随后，将光纤加热至30°C至90°C，每次升温10°C，记录对应的OTDR轨迹数据。实验结果表明，非加热区域的温度保持相对稳定，而加热区域的温度波动随光纤距离增加而增大，这是由于信噪比（SNR）下降导致的温度精度降低。加热区域的平均温度值与设定温度高度一致，最大温度测量误差范围为−0.7°C至1.3°C，整个温度测量范围内的均方根误差仅为0.85°C。此外，系统的空间分辨率同样达到6 m，与理论值一致。

结论与意义
本研究成功开发了一种新型分布式光纤振动和温度混合监测系统，充分利用了瑞利散射光和拉曼反斯托克斯散射光的特性。该系统具有结构紧凑、实用性强的特点，仅需两个信号通道即可实现振动和温度的同时监测。实验结果表明，该系统在光纤长度约12 km、激光脉冲宽度为60 ns的情况下，空间分辨率达到6 m，振动事件能够被有效识别和定位；在30°C至90°C的温度测量范围内，最大温度测量误差范围为−0.7°C至1.3°C，均方根误差仅为0.85°C。该研究成果为分布式光纤传感器在多参数混合监测中的应用提供了重要参考，具有较高的科学价值和实际应用价值。

研究亮点
1. 提出了一种基于光纤衰减补偿算法的改进差分轨迹方法，有效解决了传统方法中因光纤衰减导致的阈值选择困难问题。
2. 引入功率校正因子（r），通过温度校准单元动态校正数据，显著提高了温度测量精度。
3. 系统仅需两个信号通道即可实现振动和温度的同时监测，结构简单且实用性强。

其他有价值内容
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：51977001）的资助，所有作者声明无利益冲突。实验数据目前未公开，但可通过合理请求从作者处获取。