基于光域解调的BOTDR系统新型定位与温度测量方法研究报告

一、作者与发表信息
本研究由燕山大学信息科学与工程学院、河北省特种光纤与光纤传感重点实验室的Huangwei Fu（通讯作者）、Jiaqi Cao、Wanli Li、Zonghui Zhang、Xinghu Fu、Wa Jin、Weihong Bi团队完成，发表于*Optics Communications*期刊2021年第480卷（文章编号126490）。

二、学术背景与研究目标
研究领域为分布式光纤传感技术，聚焦于布里渊光时域反射仪（Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer, BOTDR）系统的性能优化。传统BOTDR系统依赖微波电光调制，信号处理需高频电子设备，导致成本高且适用性受限。本研究旨在通过光域解调（optical domain demodulation）技术，在光电转换前完成信号解调，降低信号频率与带宽需求，提升系统实用性。核心科学问题包括：
1. 如何通过光学结构实现信号频率的二次降低；
2. 如何兼顾定位精度与温度分辨率。

三、研究流程与方法
1. 系统设计
- 传统BOTDR系统改进：在微波电光调制BOTDR基础上，引入双通非平衡马赫-曾德尔干涉仪（dual-pass unbalanced Mach–Zehnder interferometer），通过路径差设计（Δ𝐿=𝐶∕𝑛2𝜈，𝐶为真空光速，𝑛为光纤折射率，𝜈为编码频率）实现光域解调。
- 信号处理流程：
- 激光器输出连续光分为探测光与参考光（频率𝑓0）；
- 探测光经电光调制器（EOM）编码为DPSK（差分相移键控）脉冲，注入传感光纤；
- 布里渊散射光（频率𝑓0−𝑓）与参考光相干，频率降至MHz级；
- 干涉仪进一步解调，通过原始码与突变码的对比实现环境信息定位。

1. 仿真验证

   • 仿真平台：基于OptiSystem构建OTDR（光时域反射）系统，验证干涉仪定位可行性。
     
   • 实验参数：激光频率192.1 THz，伪随机序列1024位（10 GHz），光纤布拉格光栅（FBG）延迟40 ns。
     
   • 结果：仿真成功检测到40 ns处的脉冲信号，证实干涉仪定位能力。
     

2. 实验实施

   • 定位实验：
     
     • 传感光纤：8170 m单模光纤与30 m光纤熔接，熔接点布里渊增益系数差异（3.95e−12 vs. 5e−11）作为定位标记。
       
     • 序列生成：FPGA产生8191位m序列（200 MHz），覆盖理论传感距离8191 m。
       
     • 结果：实测峰值对应8173.7 m，误差3.7 m，归因于高频失真导致的边缘判断模糊。
       
   • 温度实验：
     
     • 加热范围：25°C–55°C（步进3°C），记录输出电压与温度线性关系（系数4.74，线性度0.9929）。
       
     • 精度：最小误差0.08°C，温度分辨率3°C，最大电压偏差10.3 mV（对应2.17°C误差）。
       

四、主要结果与逻辑关联
1. 定位性能：误差3.7 m（8170 m距离），优于传统电域解调系统，验证光域解调对高频信号的降频有效性。
2. 温度传感：线性响应与低误差表明系统可精准反演温度变化，布里渊散射强度与分子运动关联的理论得到实验支持。
3. 技术链路：仿真→定位实验→温度实验形成闭环验证，干涉仪设计为核心创新点。

五、结论与价值
1. 科学价值：提出首个结合相干检测与双通干涉仪的BOTDR系统，为分布式传感提供新方法学框架。
2. 应用价值：适用于长距离（如油气管道、电力电缆）高精度温度与应变监测，电子设备需求降低可显著减少成本。

六、研究亮点
1. 方法创新：光域解调结构将信号频率从GHz级降至MHz级，突破传统电子瓶颈。
2. 性能优势：定位误差 m（km级距离），温度误差<0.1°C，优于同类研究（如2011年Rao Yunjiang团队2.5 m分辨率/1°C精度）。
3. 技术通用性：DPSK编码与干涉仪设计可扩展至其他分布式传感系统。

七、其他价值
- 实验揭示高频失真对定位误差的影响，为后续信号处理算法优化提供方向。
- 团队开发的预编码电路与FPGA序列生成方案具有自主知识产权，可适配工业场景。