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作者及机构
本研究的核心作者包括Cherif Diouf、Véronique Quintard、Laura Ghisa、Mikael Guégan、André Pérennou（来自法国布雷斯特国立工程学院Lab-STICC CNRS UMR 6285实验室），以及Laurent Gautier、Morgan Tardivel、Stéphane Barbot、Vincent Dutreuil、Florent Colas（来自法国海洋开发研究院Ifremer）。研究发表于2020年4月的《IEEE Journal of Oceanic Engineering》第45卷第2期。

学术背景
研究领域为海洋观测技术中的光纤供能与通信系统（Power-over-Fiber, POF）。海底观测站通常通过电缆供电，但受限于铜缆的电磁干扰、重量和部署成本，传统方法难以扩展监测范围。POF技术利用单模光纤同时传输能量与数据，具有轻量化、抗电磁干扰和长距离传输的优势。本研究旨在开发一种适用于海底观测站的POF系统，目标是通过单一光纤实现8公里外的传感器节点供能（最高190 mW）与双向通信（3.6 Mb/s速率），并验证其在浑浊度与声学测量中的应用。

研究流程与方法
1. 光学架构设计
- 波长复用：采用1480 nm波长传输能量，1550 nm（下行）和1537 nm（上行）波长传输数据。拉曼散射效应（Raman scattering）被用于放大数据信号，降低传感器节点功耗。
- 关键组件：
- 连接箱端：高功率激光源（HPLS，1480 nm，10 W）、分布式反馈激光器（DFB，1550 nm）、光学环形器（分离上下行信号）。
- 传感器端：四路分光器分配光能至光伏（PV）电池，垂直腔面发射激光器（VCSEL，1537 nm）用于上行通信。
- 创新点：通过熔接减少连接损耗，避免“光纤熔断”问题；首次在POF系统中集成拉曼放大功能。

1. 电子接口开发

   • 硬件架构：基于低功耗FPGA（Microsemi Igloo Nano）和能效微控制器（EFM32 Giant Gecko），支持多传感器兼容。
     
   • 通信协议：曼彻斯特编码（Manchester coding）实现全双工异步通信，时钟同步机制避免漂移。
     
   • 供能模块：三级DC/DC转换器与超级电容组合，解决瞬时高功耗需求（如浑浊度传感器）。

2. 系统验证

   • 声学测试：连接16位ADC（ADS8326）采集90 kHz带宽的模拟信号，通过FPGA直接传输，实测波形匹配度验证系统带宽。
     
   • 浑浊度测试：Wet Labs ECO NTU传感器通过RS232接口与微控制器通信，周期性测量（8 Hz）验证低功耗模式可行性。

主要结果
1. 光学性能
- 在8公里光纤中，1480 nm光功率损耗67%（4.8 dB），光伏转换效率23%，最终回收电功率达190 mW（输入电功率31 W）。
- 拉曼增益补偿了数据信号损耗：下行信号（1550 nm）增益5.7 dB，上行信号（1537 nm）增益10.3 dB。

1. 电子性能

   • 传感器节点总功耗66.5 mW（FPGA 32.5 mW，微控制器14 mW），声学模块附加23 mW后仍低于供能上限。
     
   • 双向通信误码率（BER）低于5×10⁻⁷（参考10公里光纤数据）。

2. 应用验证

   • 声学系统：成功传输30 kHz斜坡信号，带宽测试显示90 kHz内线性响应。
     
   • 浑浊度测量：通过超级电容储能实现间歇性高功耗测量（240 mW需求），数据线性度符合预期（R²>0.98）。

结论与价值
1. 科学价值：首次将拉曼放大与POF结合，解决了长距离海底观测中能量与数据同步传输的难题，为深海监测提供了新方法。
2. 应用价值：系统轻量化（单光纤）、低功耗（<100 mW节点）和兼容性（支持多种传感器）使其适用于扩展现有观测网络，尤其适合电磁敏感或移动式监测场景。
3. 技术突破：电子接口的模块化设计（FPGA+MCU）和能量存储方案（超级电容）为后续深海设备开发提供参考。

研究亮点
1. 创新技术：单光纤同时供能通信的架构，拉曼效应补偿信号衰减。
2. 跨学科整合：融合光电子（拉曼泵浦激光）、嵌入式系统（低功耗FPGA）与海洋传感技术。
3. 实测验证：通过声学与浑浊度两类传感器验证系统在高低频场景的适应性。
4. 工程优化：熔接工艺降低损耗，曼彻斯特编码简化时钟同步。

其他价值
研究提出的能量-数据协同传输模型可拓展至其他极端环境（如高压电力线监测），且开源硬件设计（如EFM32微控制器）有助于降低后续开发成本。