本文是由 Hongwei Li, Jiayan Wang, Zhang Xiong, Yanda Qu, Tianfu Li, Shuaiqi Liu, 和 Yongkang Dong 共同撰写的原创性研究论文。第一作者及通讯作者所属机构为哈尔滨工业大学的激光空间信息全国重点实验室和哈尔滨工业大学郑州研究院，部分合作者来自国家管网集团浙江省网有限公司。该研究于2026年4月6日发表在光学领域知名期刊 Optics Express 第34卷第7期上。
本研究属于光纤传感技术领域，具体聚焦于相位敏感光频域反射技术。其研究背景源于分布式光纤传感在如深地地球物理勘探、深海管线监测等关键基础设施项目中的特殊部署需求。在这些场景中，传感解调仪通常需要放置在距离实际监测区域数十至数百公里外的安全地点，而关键的监测目标则集中在远端特定的高风险线性区段（例如超深油井的井底组件）。因此，形成了“长引线、局部传感”的独特架构。传统的光频域反射计在此架构下面临固有挑战：随着传感距离增长，激光相位噪声累积和扫频非线性会导致空间分辨率下降；同时，整个光纤的往返传播时间限制了系统的最大时间分辨率（频率响应）。现有的解决方案往往需要在传感距离、空间分辨率和时间分辨率之间进行权衡。本研究旨在打破这些限制，提出一种新型的、适用于超长距离引线后局部高精度传感的解耦方案。
为了应对上述挑战，本研究提出并验证了一种共光路、自参考的远程相位敏感光频域反射测量系统。其核心创新在于利用光纤远端的反射作为相干探测的本振光，从而在超长引线的末端自然形成一个“远程传感窗口”。该方法从根本上改变了系统性能的限制因素：在窗口内，干涉的光程差从远端（本振反射点）开始反向累积，使得窗口内的相位噪声积累最小化，且本振与信号光共享长达引线的相同路径波动，因此窗口内的传感性能（如空间分辨率）与总传输距离解耦。同时，由于干涉仅发生在传感窗口内，系统的最大频率响应由窗口长度而非总光纤长度决定，从而显著提升了动态测量能力。
研究的具体工作流程与实验方法可详细阐述如下：
第一，系统原理与偏振分集接收方案设计。 研究首先建立了远程φ-OTDR的物理模型。与直接从激光输出端提取本振光的传统方案不同，该系统将传感光纤远端（通过法拉第旋转镜）的反射光作为本振光。这使得从传感窗口内各点返回的瑞利背向散射光与该远端本振光发生干涉，形成一系列共享共同参考反射面的迈克尔逊干涉仪。理论分析表明，干涉拍频与传感点位置到光纤末端的距离成正比，因此通过傅里叶变换可将拍频信号映射为距离域信息。更重要的是，激光相位噪声Δφ在传感光纤上沿反向累积，即越靠近光纤末端的传感点经历的累积相位噪声越小，从而在远端自然形成了一个低相位噪声的“传感窗口”。为实现稳健的探测，研究团队开发了一种新颖的单端偏振分集接收方案。该方案使用保偏偏振控制器、法拉第旋转镜和一个与保偏轴成45度角熔接的偏振分束器。法拉第旋转镜确保从远端返回的自参考本振光偏振态固定且与入射光正交。偏振分束器将返回的混合光（包含固定偏振的本振光和随机偏振态的信号光）分成两路正交偏振分量进行探测。随后，通过旋转矢量和方法对两路信号进行数字合成，有效抑制了偏振衰落，同时保持了共光路结构的稳定性。
第二，实验系统搭建与关键器件制备。 实验系统基于一个线宽1.3 MHz（对应相干长度约50米）的分布式反馈激光器构建。通过任意函数发生器产生三角波驱动信号调制激光电流，并采用迭代线性更新学习预失真算法对激光扫频进行线性化校正。经过数次迭代后，在70%的扫频区间内实现了高达0.99998的线性度，对应的扫频带宽Δf约为15.7 GHz，理论两点空间分辨率可达约6.5毫米。传感光纤由超过75公里的标准单模光纤引线和一个1米长的飞秒激光刻写散射增强光纤段构成。利用515 nm波长的飞秒激光，通过逐点刻写方式在该1米段内制作了50个弱反射点，反射点间距为2厘米。这些反射点的总插入损耗为3.2 dB，但相比单模光纤的瑞利散射系数，其信噪比提升了约14.5 dB。法拉第旋转镜被置于光纤末端以提供自参考本振光。两路偏振分集信号由高速光电探测器接收，并由示波器以125 MSa/s的采样率进行数字化。
第三，信号解调与数据处理流程。 采集到的时域拍频信号经过傅里叶变换映射到距离域。对于每个弱反射点，从其对应的拍频频谱中提取复数信息。首先，对两路偏振通道（X-pol和Y-pol）的信号分别进行RVS处理，以抑制偏振衰落。具体而言，将每一帧测量中每个反射点信号的复数谱，分别与第一帧测量中对应反射点信号复数谱的共轭参考进行对齐和旋转求和，从而得到一个稳定的复数信号。随后，通过计算该复数信号的相位角，得到每个反射点的绝对相位。相邻反射点之间的相位差则构成了一个独立的传感通道，可用于解调振动等动态应变。通过连续扫频并解算各通道相位差的变化，即可实现定量、准分布式的振动测量。
本研究取得了一系列重要结果，详细如下：
首先，成功实现了75公里超长引线末端的高空间分辨率传感。 实验成功在75公里光纤的末端，对1米长的散射增强传感窗口进行了测量。通过频率-距离映射，清晰地分辨出了间距为2厘米的50个弱反射点。经过RVS处理后，传感窗口内反射点的幅度波动小于3 dB，信噪比显著提升，证明了系统在超长距离下仍具备厘米级空间分辨能力。这一结果直接验证了“远端自参考”架构的有效性：即使使用相干长度仅约50米的普通DFB激光器，也能在75公里处实现高分辨率传感，这是传统长距离OFDR方案难以做到的。
其次，验证了偏振衰落抑制效果与系统线性响应。 在实验中，研究人员人为引入了随机偏振波动以测试系统鲁棒性。结果显示，仅使用单一偏振通道（如X-pol）时，部分传感通道会出现因偏振衰落导致的相位解调误差和信噪比下降。而采用偏振分集接收并结合RVS算法后，整个传感窗口内所有通道的相位标准差均被抑制在0.1弧度以下，空间均匀性良好。这证明了所提出的单端偏振分集方案能够有效解决超长引线中偏振态随机演变带来的信号衰落问题。此外，通过改变施加在压电陶瓷上的正弦驱动信号幅值（3 Vpp 到 8 Vpp），测量得到的动态应变幅值与驱动电压呈优异的线性关系（R² = 0.99958），证明了系统测量的准确性和可重复性。
第三，展示了高达2 kHz的宽频带振动响应。 研究团队在传感窗口内（通道4）施加了一个频率在0.1 Hz至2 kHz之间三角扫频的振动信号。解调得到的时空相位图及其短时傅里叶变换结果清晰、准确地重构了该扫频振动波形，且信号幅度在0.1 Hz到2 kHz范围内基本保持恒定，证实了系统具有平坦的宽频带响应。这一结果尤为关键，因为它突破了传统φ-OTDR在75公里传感距离下由往返时间限定的约1.33 kHz频率响应上限。在本系统中，时间分辨率仅由远程传感窗口的长度决定，从而在超长引线后实现了kHz级的动态监测能力。
第四，验证了多事件同时探测与串扰抑制能力。 实验在传感窗口内不同位置（通道4和通道46）的两个压电陶瓷上同时施加了不同频率和幅值的振动信号（200 Hz/7 Vpp 和 400 Hz/5 Vpp）。解调得到的时空图能够清晰分辨出两个独立的振动波形。从两个通道分别重构出的时域波形和频谱显示，各自的单频峰清晰可辨，且未检测到明显的通道间串扰。这证明了该系统在远端传感窗口内具备准分布式、定量、同时监测多个振动事件的能力。
基于以上结果，本研究得出结论：成功提出并实验证明了一种共光路自参考远程φ-OTDR系统，能够在75公里超长距离后，实现空间分辨率2厘米、振动采样率2 kHz的高精度准分布式定量振动传感。该系统利用远端反射作为本振，从根本上将传感的时空分辨率性能与总传输距离解耦，并采用新型偏振分集接收方案保证了系统的鲁棒性。
本研究的科学价值与应用意义重大。在科学上，它提出了一种颠覆传统OFDR约束的新架构，通过“反向噪声积累”和“窗口化干涉”的机理，为突破长距离与高分辨率/高响应速度之间的矛盾提供了全新的理论和技术路径。在应用上，该研究为深井地球物理勘探、长输管线结构健康监测、海底电缆安全预警等需要将传感解调仪置于远端、而仅对关键局部区域进行高精度动态监测的场景，提供了一种实用且高性价比的解决方案。该系统仅采用标准DFB激光器和相对简化的硬件，即可实现卓越性能，凸显了其工程化潜力。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：1. 架构创新性：提出“远端自参考”概念，巧妙利用光纤末端反射形成本振，实现了传感性能与引线长度的解耦，是解决“长引线、局部传感”需求的关键突破。2. 性能突破：在75公里超长距离下，同时实现了厘米级空间分辨率（2 cm）和千赫兹级时间分辨率（2 kHz），这在以往研究中难以兼顾。3. 技术实用性：结合了飞秒激光刻写弱反射点阵列提升信噪比，以及新颖的单端偏振分集接收方案解决偏振衰落问题，在保证高性能的同时增强了系统的稳定性和鲁棒性。4. 验证充分性：通过偏振衰落抑制、线性响应、宽频带响应及多事件同时探测等一系列实验，全面且有力地验证了所提系统的各项关键性能。
此外，论文在讨论部分还展望了未来的技术发展方向，例如通过采用更窄线宽的激光源或外部扫频线性化技术，有望在超长链路末端实现窗口内毫米级分辨率；通过采用远程泵浦中继放大或超低损耗光纤，可以进一步扩展系统的最大传输距离。同时，该架构不仅限于动态振动相位解调，也有潜力扩展到OFDR频谱解调方法，用于远端的静态参数（如温度、应变）测量。这些都为该技术的持续演进和应用拓展指明了方向。