高性能光频域分布式光纤测试与传感技术研究进展

作者及机构
本文由杨军（广东工业大学先进光子技术研究院）、林蹉富（哈尔滨工程大学物理与光电工程学院）、邹晨、喻张俊、王云才、秦玉文（均来自广东工业大学）等合作完成，发表于《光学学报》2024年1月第44卷第1期，属于特邀综述文章。

主题与背景
本文聚焦光频域反射（Optical Frequency Domain Reflectometry, OFDR）技术，系统梳理了其在高性能分布式光纤测试与传感领域的研究进展。OFDR是一种基于光调频连续波（FMCW）原理的分布式测量技术，通过扫频光干涉信号的傅里叶变换关系获取光纤沿线的散射、反射、相位及偏振等信息，进而反演温度、应变等物理场分布。相较于时域（OTDR）和相干域（OCDR）技术，OFDR兼具高空间分辨率（微米级）、高灵敏度（-130 dB以上）、长测量距离（公里级）及大动态范围（110 dB）等优势，成为分布式传感领域的重要技术之一。

主要观点与论据

1. OFDR技术原理与性能优势
   OFDR的核心原理是将线性扫频光分为参考臂和探测臂，通过干涉拍频信号的频谱分析实现空间定位（式1）。其理论性能由光源调谐范围、线宽及信号处理算法共同决定（式2）。与OTDR和OCDR相比，OFDR突破了测量距离与空间分辨率的固有矛盾，例如OTDR受限于米级分辨率，而OCDR的测量距离不足10米，OFDR则实现了微米级分辨率与公里级距离的兼容（图2）。

2. 性能退化机理与噪声抑制技术

   • 噪声来源：OFDR性能退化主要源于相位噪声（扫频非线性和随机相位噪声）、幅度噪声（如寄生调幅）及环境扰动（图3）。相位噪声导致空间分辨率下降和动态范围劣化（图4），幅度噪声则引入伪干涉峰，限制无杂散动态范围（SFDR）（式8）。
     
   • 抑制方法：
     
     • 扫频非线性校正：硬件上采用频率采样法（依赖辅助干涉仪过零点触发），软件上发展重采样算法（如希尔伯特变换、非均匀傅里叶变换等），后者在191米距离实现21.3 μm分辨率（表2）。杨军团队提出的优化插值法在100米光纤中达到14.9 μm分辨率（图5）。
       
     • 相位噪声补偿：上海交通大学团队提出相位噪声补偿（PNC-OFDR）算法，实现100公里内7 cm分辨率；广东工业大学团队开发周期性相位噪声估计去斜滤波器（PPNE-deskew-filter），在8公里全长保持522 μm分辨率，测量容量突破10^7（图7）。
       

3. 分布式传感原理与性能极限

   • 传感机制：外界物理场（如温度、应变）通过光纤热膨胀、弹光效应等改变瑞利背向散射（RBS）的相位、强度或光谱频移（图8）。通过差分相位或频移反演参量变化（式10），例如应变灵敏度为110.37 nε·m/rad，温度灵敏度为0.0124 °C·m/rad。
     
   • 性能制约：传感长度、分辨率、精度、范围及频率响应之间存在本征权衡关系。杨军团队基于克拉美罗下界推导了应变精度的理论极限（式11-12），表明精度与传感长度、带宽的平方根成正比，与空间分辨率的立方成反比。
     

4. 应用与仪器发展
   OFDR已应用于集成波导器件测试、保偏光纤分析及光纤陀螺环应力传感等领域。典型案例如西班牙团队提出的啁啾脉冲技术（CP-φ-OTDR）实现108公里传感距离和3.6 pε/√Hz振动灵敏度；上海交通大学时间门控法（TGD-OFDR）将测量容量提升至10^5（图1）。

论文价值与意义
本文全面总结了OFDR技术的理论框架、噪声抑制方法及性能极限，为高性能分布式传感系统的设计提供了理论指导。其核心贡献包括：
1. 方法论创新：系统梳理相位噪声补偿算法，提出高精度周期性噪声估计方法，推动长距离高分辨率测量。
2. 理论突破：量化传感性能的制约关系，为优化系统参数提供依据。
3. 应用拓展：列举多参量传感（如扭转、磁场、折射率）及工业检测案例，凸显技术实用性。

亮点
- 技术整合：对比分析30余种分布式测量技术（表1），明确OFDR在多参量、高性能传感中的优势。
- 跨学科融合：结合雷达FMCW原理与光纤光学，解决传统技术的本征矛盾。
- 前瞻展望：指出未来需攻克环境噪声抑制、多参量解耦等挑战，推动OFDR在极端环境监测中的应用。

本文为分布式光纤传感领域的研究者提供了技术路线参考，并为工业检测、基础设施健康监测等应用奠定了理论基础。