高空间分辨率准分布式声学传感系统：基于φ-OFDR的相位噪声抑制研究

作者及发表信息
本研究的通讯作者为Cailing Fu（付彩玲，邮箱：fucailing@szu.edu.cn）和Yiping Wang（王义平），团队来自深圳大学物理与光电工程学院、深圳市物联网光子器件与传感系统重点实验室、射频异质异构集成国家重点实验室等机构。合作单位包括中国有色金属桂林矿产地质研究院。研究成果发表于Optics Express第32卷第20期（2024年9月23日），论文标题为《High-spatial-resolution quasi-distributed acoustic sensing with phase noise suppression based on φ-OFDR》。

学术背景
本研究属于光纤传感领域，聚焦于分布式声学传感（DAS, Distributed Acoustic Sensing）技术的性能优化。传统相位敏感光时域反射仪（φ-OTDR）受限于脉冲宽度，空间分辨率难以突破厘米级，而光频域反射技术（OFDR）虽能提升分辨率，但面临相位噪声（如激光非线性扫频、强度噪声、衰落噪声）的挑战。为此，团队提出了一种结合注入锁定激光源、飞秒激光刻写弱反射器阵列（WRA, Weak Reflector Array）和相位索引方法（PIM, Phase Index Method）的新型φ-OFDR系统，旨在实现长距离（>1 km）下2 cm和5 mm的超高空间分辨率声学传感。

研究流程与方法

1. 系统设计与光源优化

   • 注入锁定线性扫频光源（LFS）：通过锁定激光器第4阶边带，生成扫频范围分别为12 GHz和52 GHz的低噪声线性扫频光，对应理论空间分辨率2 cm和5 mm。光源采用预失真补偿技术提升扫频线性度，线宽保持1 kHz的高相干性。
     
   • 实验装置：系统分为光源模块、传感光纤（FUT, Fiber Under Test）和信号处理模块。FUT为1 km单模光纤（SMF），末端集成飞秒激光刻写的WRA（间隔2 cm或5 mm），通过压电陶瓷（PZT）模拟振动信号。

2. 噪声抑制与信号增强

   • WRA增强瑞利背向散射（RBS）：飞秒激光在SMF上刻写的WRA将RBS强度提升约27 dB，显著降低强度噪声。与传统光纤布拉格光栅（FBG）阵列相比，WRA无波长选择性且温度稳定性更优。
     
   • 相位索引方法（PIM）：通过复数共轭归一化和振幅阈值筛选，从相位变化向量中提取WRA位置的信号点，规避未刻写区域的衰落噪声，实现无衰落相位解调。

3. 信号解调与振动测量

   • 相位差分算法：对相邻反射器的相位差进行空间微分，实际分辨率由WRA间隔（而非理论Δz）决定。通过快速傅里叶变换（FFT）和短时傅里叶变换（STFT）分析振动频率。
     
   • 实验验证：分别测试10 Hz、30 Hz正弦振动和1-50 Hz线性调频振动，验证系统在1 km距离下的性能。数据采集采用125 Hz（12 GHz LFS）和400 MHz/s（52 GHz LFS）采样率。

主要结果

1. 噪声抑制效果

   • 未使用PIM时，SMF区域的相位标准差（SD）因衰落噪声显著波动，而WRA区域SD整体更低（图5c）。PIM应用后，相位跳变被完全抑制（图5d），证明其有效消除衰落噪声。
     

2. 高分辨率振动传感

   • 2 cm分辨率：10 Hz和30 Hz振动信号的波形相似度达0.98904，信噪比（SNR）37 dB（图6d）；线性调频振动频率重构准确（图7）。
     
   • 5 mm分辨率：30 Hz振动SNR为30 dB（图8d），虽因更宽扫频范围的相位噪声降低7 dB，但仍满足超高分率需求。
     

3. 长距离稳定性

   • 在1 km距离下，WRA反射点清晰可辨（图5a），表明光源非线性噪声φ(t)+φ(t−τi)可忽略，系统具备长程传感潜力。

结论与价值
本研究通过φ-OFDR与WRA、PIM的结合，实现了长距离（>1 km）下2 cm和5 mm的超高空间分辨率声学传感，相位噪声抑制效果显著。其科学价值在于：
1. 方法创新：PIM通过振幅索引选择性解调WRA信号，避免了传统滤波窗口对分辨率的限制。
2. 技术突破：52 GHz扫频光源和飞秒激光刻写工艺为毫米级分布式传感提供了可行方案。
3. 应用前景：适用于飞机机翼健康监测等需高空间分辨率的场景，推动DAS在精密结构监测中的应用。

研究亮点
1. 双分辨率验证：首次在同一系统中实现厘米级（2 cm）和毫米级（5 mm）分辨率的长距离传感。
2. 多噪声协同抑制：联合WRA（增强信号）和PIM（消除衰落），解决了φ-OFDR相位精度与稳定性难题。
3. 高性能光源：注入锁定技术生成的12/52 GHz LFS兼具宽扫频范围与高线性度，突破商用可调激光器的限制。

其他价值
- 系统支持复杂振动（如线性调频）的精确测量，扩展了DAS在动态应变监测中的应用场景。
- 飞秒激光刻写WRA的工艺为低成本、高稳定性传感光纤制备提供了新思路。