具有准静态扰动捕获能力的相位光时域反射计传感机理与增敏技术研究

Phase-sensitive optical time domain reflectometry (φ-OTDR) is an important technology to realize fully distributed disturbance detection. However, the nonideal extinction ratio and frequency stability of optical probe pulse will degrade the low frequency disturbance capture ability for the sensing system directly, which limits traditional φ-OTDR to high frequency event detection only. Besides, due to the influence of optical local oscillator phase noise, coherence detection cannot be used to increase the sensitivity for far-end scattering signal detection. In this proposal, we will study the sensing mechanism and sensitivity enhancement technologies for an φ-OTDR system with quasi-static disturbance capture ability according to our previously research. Active frequency scanning and feedback is performed with phase modulator and the distortion of coherence fluctuation induced by frequency drifting can be compensated through this dynamical feedback. Visibility of interference is guaranteed by probe pulse of ultrahigh extinction ratio. Single photon detector with tunable efficiency is designed to realize optical detection with high speed, high accuracy and high dynamic range. The probability of detection dead zone is suppressed with post-processing such as local power spectrum accumulation. With the proposed methods, the performance of the φ-OTDR system can be improved obviously, which is of important application value in many fields.

相位光时域反射计（φ-OTDR）是实现全分布式扰动检测的一种重要技术。然而探测光脉冲消光比和频率稳定性的不理想将直接降低传感系统对低频扰动的捕获能力，使得传统的φ-OTDR系统仅能应用于高频事件的检测。此外由于本振光相位噪声的影响，常见的相干检测并不能够提高系统对远端散射信号的探测灵敏度，从而限制了传感距离。本申请拟在我们先期工作的基础上，对一种具有准静态扰动捕获能力的φ-OTDR系统的传感机理与增敏技术进行研究。通过相位调制器主动扫描光源频率并进行反馈，可以动态补偿探测光频率漂移引起的相干起伏畸变。基于超高消光比的探测光脉冲合成技术，保证了干涉信号的可视度。设计了探测效率可动态调谐的单光子探测器以实现高速、高精度、高动态范围的光信号检测。结合局部功率谱叠加等后处理技术，可以有效抑制探测死区的发生概率。本项目的成果将显著提升的φ-OTDR系统的传感性能，具有重要的应用价值。

本项目对基于φ-OTDR 的振动传感机理与方法进行深入探讨。所提出的光学背景噪声抑制技术，对于外场条件下传感仪器的性能具有明显的提升。而弱光栅阵列与DOFS系统的结合，使得高精度的光纤等效折射率变化测试成为可能，不仅解决了微弱振动场的还原问题，还为将来扩展传感器敏感参数提供了一条切实可行的技术途径，目前已经开始尝试利用弱光栅阵列与微纳光纤相结合，实现全分布式的生化参量感测。在多传感机理融合方面，外场实验结果显示同时获得可相互印证的多种测量参量，对于降低DOFS系统误报率具有非常好的效果，对于相关技术的工程应用推广具备重要促进作用。通过外场实验，还积累了大量的实测数据，为后续的信号处理算法打下了基础。. 项目执行期间，累计在IEEE Photonics Journal，Journal of Lightwave Technology，IEEE Photonics Technology Letters等国际知名光电子期刊发表论文14篇（SCI收录11篇，EI收录13篇），发表会议论文14篇，申请国家发明专利15项（其中国防专利1项），另有4项专利获得授权。项目部分成果参评并获得了包括省部级1等奖在内的多项科技奖励。. 项目执行期间，累计培养博士研究生3人，硕士研究生20人。其中4人获研究生国家奖学金，4篇会议论文获最佳学生论文奖。项目负责人本人则得益于本项目的支持和培育，于2015年升任副教授。目前已经有8名硕士研究生（包括1名国防委培研究生）顺利获得学位并参加工作，工作能力深受用人单位好评，其中3人已经成为所在单位研发岗位的技术骨干，2人加入国防相关研究院所，为国家和社会输送了一批高素质人才。. 总体上看，本项目严格按照年度研究计划执行，部分进度还超过了最初计划的设定，特别是得益于工程样机的实现，使得相关技术的工程应用取得了较大进展。并通过工程应用，发现了许多实验室条件下难以发现的问题，为后续的研究工作提供了借鉴。