基于OFDR的ERPNS技术实现动态环境下光纤干涉仪臂长差精确测量

一、研究团队与发表信息
本研究由中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光通信与探测技术重点实验室的Luwei Shuai、Lei Ye和Qing Ye团队完成，发表于2024年2月的《IEEE Photonics Journal》（第16卷第1期，文章编号7100205）。研究得到中国国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

二、学术背景与研究目标
光纤干涉仪（如Michelson干涉仪）在水声传感等领域具有高灵敏度、大动态范围等优势，但其臂长差（arm-length difference）的精确测量易受环境振动和噪声干扰。传统光学频域反射技术（OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry）在静态环境下表现优异，但在动态环境中，振动导致的相位噪声会显著降低测量精度。为此，研究团队提出了一种新型环境随机相位噪声分离技术（ERPNS, Environmental Random Phase Noise Separation），旨在通过双激光相干探测与算法优化，实现动态环境下光纤干涉仪臂长差的高精度测量。

三、研究方法与流程
1. 理论模型构建
- 基于OFDR原理，建立了动态环境下干涉仪输出信号的数学模型（公式5-8），量化了环境振动引起的相位噪声（δτ(t)）对测量结果的影响。
- 提出振动调制深度（z = 2πf0|δτ(t)|max）作为灵敏度指标，发现当z > 1.41时，传统OFDR无法准确提取臂长差信息（图3）。

1. ERPNS技术设计

   • 光学路径创新：采用双激光系统（扫描激光与单频激光），通过3×3光纤耦合器和波分复用器（WDM）分离两路干涉信号（i1-i4），利用固定相位差（α）消除环境噪声（公式12-16）。
     
   • 算法开发：通过差分运算（公式16）将振动灵敏度降低约60 dB（理论值），使动态环境下的测量误差控制在0.05 mm以内。
     

2. 实验验证

   • 实验装置：使用Luna Phoenix 1200可调谐激光器（扫描范围1549.5~1564.5 nm）和Rio Orion单频激光器（1548.5 nm），搭建包含参考干涉仪（150 m臂长差）的测试系统（图5）。
     
   • 动态干扰模拟：通过压电陶瓷（PZT）引入100 Hz正弦振动，设置不同振动调制深度（z=20, 100, 400）验证ERPNS效果。
     
   • 数据处理：结合参考干涉仪信号重采样，消除激光非线性扫描的影响，确保56 μm的空间分辨率和75 m的最大检测距离。
     

四、主要研究结果
1. 噪声抑制效果
- 在z=400的高噪声环境下，ERPNS技术仍能清晰定位臂长差对应的反射峰（图6c），而传统OFDR结果完全被噪声掩盖。
- 10次重复实验显示，静态臂长差（74.51902 m）的测量误差小于0.03 mm（表1），验证了方法的稳定性。

1. 理论仿真与实验一致性
   
   • 仿真结果（图4）与实验数据（图6）均表明，ERPNS能有效分离环境噪声，且性能与理论预测（灵敏度降低60 dB）高度吻合。
     

五、研究结论与价值
1. 科学价值
- 首次将双激光相干探测与相位噪声分离算法结合，解决了动态环境下OFDR测量精度受限的难题。
- 为光纤干涉仪在复杂环境（如海洋水听器阵列）中的应用提供了理论和技术支撑。

1. 应用价值
   
   • 在军事（水下声呐）、工业（管道监测）等领域，可实现长距离、高分辨率的光纤传感网络动态校准。
     
   • 技术兼容现有OFDR系统，无需复杂硬件改造，具备产业化潜力。
     

六、研究亮点
1. 方法创新性
- ERPNS技术通过光学路径设计与算法协同优化，突破了传统OFDR的动态环境限制。
- 提出的振动调制深度模型为类似研究提供了量化评估工具。

1. 技术指标领先
   
   • 在75 m检测范围内实现56 μm分辨率，优于同类技术（如Luna公司的运动补偿法）。
     
   • 实验验证了-60 dB的噪声抑制能力，为迄今报道的最高水平之一。
     

七、其他贡献
研究团队公开了ERPNS算法的核心公式（如公式16），并指出未来可通过优化WDM带宽进一步提升性能。此外，该方法对强内反射干涉仪的适应性（对比Rayleigh散射法）为特殊场景应用开辟了新途径。