1 深圳大学射频异质异构集成全国重点实验室，广东省光纤传感技术粤港联合研究中心，深圳市物联网光子器件与传感系统重点实验室，广东 深圳 518060
2 深圳大学物理与光电工程学院光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室，深圳市超快激光微纳制造重点实验室，广东 深圳 518060
3 人工智能与数字经济广东省实验室（深圳），广东 深圳 518107
光频域反射仪（OFDR）具有高空间分辨率、高精度和高灵敏度等多种分布式传感能力，其在油气资源勘探、结构健康监测，以及医疗微创介入手术等多种场合展示出了巨大的应用潜力。然而，扫频非线性噪声、相干衰落噪声，以及光纤中微弱的瑞利后向散射信号是影响光频域反射仪性能的主要因素。本文介绍了光频域反射仪基本原理和波长、相位两种传感解调方法，详细阐述了多种抑制扫频非线性噪声和相干衰落噪声的方法，同时介绍了光频域反射仪在三维形状、大应变、高温、折射率等4个方面的传感应用进展。
光频域反射仪 扫频非线性 相干衰落 三维形状 大应变 高温 激光与光电子学进展
2024, 61(1): 0106002
1 南京大学智能光感知与调控技术教育部重点实验室，江苏 南京 210023
2 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
3 北京交通大学信息科学研究所，北京 100044
4 之江实验室光纤传感研究中心，浙江 杭州 311100
5 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044
6 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
7 中国电力科学研究院有限公司，北京 100192
8 中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039
9 中油奥博（成都）科技有限公司，四川 成都 611731
10 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所光子器件与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031
11 齐鲁工业大学（山东省科学院），山东省科学院激光研究所，山东 济南 250104
12 厦门大学航空航天学院，福建 厦门 361005
13 上海交通大学电子信息与电气工程学院，区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海 200240
14 北京理工大学光电学院，信息光子技术工信部重点实验室，北京 100081
15 电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室，四川 成都 611731
16 兰州大学土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000
我国大型基础设施的建设规模已多年位居世界之首，分布式光纤传感技术（DOFS）作为大型基础设施健康状态实时监测最有潜力的技术，近年来得到了迅速发展。针对DOFS在技术和应用的突破上面临的挑战，在介绍DOFS各技术基本工作原理、发展历史、现状以及典型应用原理和方案等的基础上，对其工作新机理、系统设计方案、研究发展方向等进行了阐述和讨论。
光纤光学 分布式光纤传感技术 光时域反射仪 光频域反射仪 干涉型分布式光纤传感
上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海 200240
针对传统光纤传感难以实现应变矢量感知的问题，设计并实验验证了基于同相正交（IQ）调制的光频域反射仪（OFDR）的多芯光纤应变矢量传感系统。使用IQ调制技术，实现了光源线性扫频，利用多芯光纤空间结构关系，在OFDR系统中获得了七芯光纤弯曲后的应变矢量信息。实验结果表明，当光源扫频范围990 MHz时，在87 m七芯光纤中，弯曲应变空间分辨率为28.35 cm。当光纤弯曲曲率为1.78 m-1时，角度分辨率为29°。同时进一步通过仿真分析表明，当扫频范围提高到10 GHz时，理论上可以达到1.02°的角度分辨率，从而进一步提高系统性能。
光纤传感 光频域反射仪 应变矢量 七芯光纤 同相正交调制 激光与光电子学进展
2023, 60(23): 2306005
1 中煤科工集团上海有限公司，上海 200030
2 上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海 200240
提出了一种利用内调制频率调谐实现高空间分辨率的时间门控数字光频域反射仪（TGD-OFDR）方案，采用电流调谐的分布式反馈（DFB）二极管激光器作为探测光源提供较大的激光频率调谐范围的信号，利用马赫-曾德尔干涉仪（MZI）分析该DFB激光器的电流-频率响应特性后，由任意波形发生器产生的带有预失真的锯齿波信号驱动该DFB激光器，进而补偿激光器扫频时的非线性，同时采用一台波长可调节的稳频激光器的出射光充当本地稳频参考光。实验测试在74 km的光纤链路上实现了10 cm的空间分辨率，动态范围为23.3 dB。
传感器 光纤测量 时间门控数字光频域反射仪 分布式反馈激光器 预失真
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
为了设计用于光频域反射仪（optical frequency domain reflectometer, OFDR）温度传感的涂层光纤，提升OFDR的温度灵敏度，增加其适用场景，从理论上分析了 1 层和 2 层涂层对单模光纤中瑞利频移温度灵敏度的影响并进行了仿真。考虑到外涂层的几何、热和机械性能，首先，用Lame解理论分析涂层对OFDR瑞利频移温度灵敏度的影响；其次，基于温度带来的光纤轴向应变关系以及光纤与 1 层涂层之间的力平衡，提出了仅含 1 层涂层的简化解；最后，针对建立的理论模型，对 1 层以及 2 层外涂层光纤的瑞利频移温度灵敏度进行了仿真。结果表明，瑞利频移温度灵敏度随着外涂层的杨氏模量、半径和热膨胀系数的增加而增加，而与涂层泊松比几乎无关。本研究结果将有助于提高OFDR在高温度灵敏度和低温场景中的应用。
光纤 涂层 光频域反射仪 温度灵敏度 fiber coating optical frequency domain reflectometer temperature sensitivity
1 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044
2 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044
3 湖南长城海盾光纤科技有限公司，湖南 长沙 410000
光纤水听器探头在深海静水压力下存在变形，这会影响其对水下声信号的探测性能，甚至会使探头失稳而无法在深海环境中继续作业。传统电学传感器因受限于尺寸和电磁干扰等因素，故难以被用于水听器探头的形变监测中。光纤光栅点式传感器的空间分辨率较低，故也无法对尺寸小的光纤水听器探头进行全分布式力学监测。为此，提出了一种基于光频域反射仪的高空间分辨率、高精度的光纤水听器探头形变监测方法。在实验中，光纤紧密缠绕在水听器探头的表面，采用自主研制的分布式光纤形状监测分析仪测量了探头形变产生的光纤瑞利散射光谱的波长漂移，并采用逆向积分的方法实现了探头形状的二维重构。研究结果表明：随着静水压力的增大，水听器探头直径逐渐缩小，并沿周向出现周期性凹陷；当静压力达到6 MPa时，三个周期性凹陷深度达到124 μm。该实验研究结果与基于ANASYS的耐压性仿真结果相符。
传感器 分布式光纤传感 光频域反射仪 光纤水听器 形状传感
1 北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室，北京 100044
2 中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室，北京 100190
基于频分复用和同相/正交（I/Q）接收技术，提出了一种具有高空间分辨率的大带宽分布式光纤振动传感解调方案，并对其进行了理论分析和数值仿真研究。该分布式振动传感结构包含马赫-曾德尔干涉仪（MZI）与时间门控数字光频域反射仪（TGD-OFDR），其中，MZI输出信号的相位采用零差法解调，用于检测振动信号的频率与幅度；而TGD-OFDR则是通过外差探测技术实现振动信号的定位。数值仿真结果表明，所提系统的可测振动频率上限达兆赫兹量级，4 km传感光纤上的空间分辨率可达0.5 m。该分布式振动传感系统同时具有高空间分辨率与大检测带宽的优势，在民用基础设施健康监测和石油天然气管道泄漏监测等领域具有潜在应用价值。
光纤光学 光纤传感 分布式振动传感 时间门控数字光频域反射仪 光纤干涉仪 空间分辨率 光学学报
2022, 42(19): 1906004
1 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044
2 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆大学，重庆 400044
设计了一种柔性细径光纤束形状传感器及其注胶封装装置，采用光频域反射仪的分布式应变测量技术，实验探究了形状传感器在封装过程中胶水材料及配比对残余应力的产生、积累和分布情况的影响。实验结果表明，胶水交联反应使得光纤产生的残余应变随着固化时间的推移逐渐增大，且形状传感器中3根光纤的残余应变随时间的积累以及沿光纤轴向的空间分布具有一致性。经过约16 h的固化反应后，3根光纤的残余应变达到最大值并稳定保持在80~100 με范围内。该研究成果最大限度地减小光纤形状传感器封装过程中的残余应变，为高精度形状测量提供了基础。
光纤光学 光纤形状传感器 光频域反射仪 残余应力监测 光学学报
2022, 42(16): 1606002
1 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044
2 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室, 重庆 400044
光纤形状传感技术能够测量姿态、取向、径迹以及位置等三维空间信息,在精准介入医疗、变体飞行器以及连续体机器人等领域具有广泛应用前景。光频域反射仪具有高空间分辨率和分布式测量等特点,相较于光纤光栅的波分复用技术,在提高形状传感空间分辨率、形状重构精度以及传感长度等方面具有明显优势。在阐明光频域反射仪分布式应变传感原理的基础上,建立了弯曲形变与应变以及光纤瑞利散射光谱波长漂移之间的物理关系,同时构建了弯曲大小、弯曲方向以及挠率与空间曲线局域标架三个正交分量的数学关系,最后采用切向分量的线积分实现光纤三维形状重构。实验设计并制备了一种基于镍铬形状记忆合金丝与三根光纤束封装的形状传感器,其二维、三维形状末端的平均最大误差为传感器总长度的0.58%和3.45%。
光纤传感 分布式形状传感 光频域反射仪
