上海交通大学的研究团队在《Optics Express》期刊上提出了一种创新的光学反射测量技术——时间门控数字光学频域反射仪（Time-Gated Digital Optical Frequency Domain Reflectometry, TGD-OFDR），该技术在高空间分辨率和长测量距离方面取得了突破性进展。
作者及发表信息
该研究由上海交通大学先进光通信系统与网络国家重点实验室的Qingwen Liu、Xinyu Fan和Zuyuan He（通讯作者）团队完成，于2015年9月24日发表在《Optics Express》期刊上（DOI:10.1364/OE.23.025988）。
研究背景
光学反射测量技术是光纤通信和分布式传感领域的重要诊断工具。传统的光学时域反射仪（OTDR）在长距离测量中动态范围受限，而光学频域反射仪（OFDR）虽然能提供高分辨率，但其空间分辨率与测量距离之间存在矛盾：提高激光频率调谐速率（决定分辨率）会因采样率限制而缩短可测距离。此外，激光相位噪声和环境扰动也会影响OFDR的性能。
为解决这些问题，研究团队提出了一种新型TGD-OFDR技术，其核心思想是仅在时间窗口内对探测光束进行频率扫描，而参考光束保持频率稳定，并通过数字信号处理实现距离-频率映射。
研究方法与流程
系统设计
- 光源与调制：采用窄线宽光纤激光器（1 kHz线宽），通过声光调制器（AOM）生成频率扫描的探测脉冲（时间窗口8 μs，频率扫描范围300-500 MHz，调谐速率25 THz/s）。
- 双通道配置：探测光束经法拉第旋转镜（FRM）双次通过AOM以扩展频率扫描范围，参考光束保持连续波输出。
- 偏振分集检测：采用平衡光电探测器（BPD）接收正交偏振态的拍频信号，以消除偏振波动影响。
信号处理
- 等效参考生成：在数字域生成与探测脉冲调谐速率相同的等效参考信号（如(s_{ref_1} = \cos(\pi \gamma t^2))），通过傅里叶变换将拍频信号映射为距离信息。
- 多参考拼接：对于超过单个等效参考覆盖范围的测量（如110 km光纤），采用多个时间偏移的参考信号（25个参考，间隔52 μs）分段处理并拼接结果。
实验验证
- 测试对象：110.7 km单模光纤链路，包含多个连接器（APC和PC端面）及开放端反射点。
- 数据采集：高速模数转换器（3.125 GS/s）记录拍频信号，通过373次测量平均降低瑞利散斑噪声。
主要结果
空间分辨率
- 近端（1.02 m光纤跳线）分辨率达1.2 m（理论值），远端（110.7 km）分辨率仅退化至1.64 m，整体退化率37%，显著优于文献报道的同类技术（如[17]中80 km处分辨率退化至近端的3倍）。
- 图6展示了不同位置的反射峰分离效果，如29.5 km和80.1 km处的连接器反射峰间距与实测长度一致。
动态范围与测量效率
- 动态范围达26 dB（仅373次平均），优于传统OTDR需218次平均的同类分辨率性能[2]。
- 数据单次处理时间<0.5 s（Intel Core-i7 CPU），支持实时应用。
噪声抑制
- 高调谐速率（25 THz/s）有效抑制了激光相位噪声和环境扰动，实验在普通实验室环境（无隔音）下完成，验证了技术的鲁棒性。
结论与意义
TGD-OFDR通过时间门控和数字处理技术，首次在110 km距离上实现了1.6 m级空间分辨率，突破了传统OFDR的调谐速率-距离矛盾。其科学价值在于：
1. 方法创新：将频率扫描限制于时间窗口，结合数字等效参考，实现了高分辨率与长距离的兼容。
2. 应用潜力：适用于长距离光纤网络诊断和高精度分布式传感（如管道监测、电力设施检测）。
研究亮点
- 超高分辨率：110 km距离下1.64 m分辨率，为当时OFDR领域的最佳纪录。
- 高效噪声抑制：通过高调谐速率和偏振分集设计，显著降低环境干扰影响。
- 硬件简化：无需复杂的外部相位调制或带宽分割硬件，降低了系统复杂度。
其他价值
该技术获中国国家自然科学基金（61275097等）支持，其算法和硬件设计（如AOM驱动优化）为后续研究提供了可扩展的框架。团队指出，若采用更高带宽调制器（如单边带调制器[15]），可进一步提升调谐范围和分辨率。