该文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告：

作者及机构
本研究的主要作者包括Cong Liu、Haixin Qin、Chenggang Guan、Xuan Chen、Jingqi Li、Linfeng Zhan、Weiqi Wang、Yifan Xiao、Sheng Hu、Junchang Huang和Xueyou Zhang。他们分别来自湖北工业大学电气与电子工程学院、光电与传感器实验室（OES Lab）、华中科技大学光学与电子信息学院以及国网安徽电力公司超高压分公司。该研究于2024年10月1日发表在IEEE Sensors Journal第24卷第19期。

学术背景
本研究属于光纤通信与传感技术领域。尽管光纤通信系统在性能方面取得了显著进展，但在某些特殊场景（如存在易燃易爆气体的矿井）中，实现通信仍面临挑战。传统的光纤传感器仅支持单向信号传输，无法满足实际应用中的双向通信需求。此外，现有技术依赖外部电源供电，这在矿井等场景中存在安全隐患。为解决这些问题，本研究提出了一种被动双向光纤音频传输系统（Passive Bidirectional Audio-over-Fiber, PB-AOF），该系统集成了传感、供电和通信功能，旨在实现长距离、无外部电源的双向音频传输。

研究目标
本研究的主要目标是开发一种能够在10公里单模光纤（SMF）上实现被动双向音频传输的系统。具体目标包括：
1. 在上行链路中，利用分布式声学传感（Distributed Acoustic Sensing, DAS）技术实现全光纤范围内的分布式音频传感。
2. 在下行链路中，采用光纤供电（Power-over-Fiber, POF）技术，通过自研的InGaAs/InP光伏功率转换器（Photovoltaic Power Converter, PPC）实现音频信号和电力的同步传输。
3. 验证系统在音频传输性能、信号定位和恢复能力方面的表现。

研究流程
本研究包括以下主要步骤：
1. 系统设计
- 设计PB-AOF系统的上行链路和下行链路结构。上行链路采用相敏光时域反射技术（Phase-Sensitive Optical Time-Domain Reflectometry, Φ-OTDR）实现分布式音频传输，下行链路利用POF技术和自研PPC实现音频和电力的同步传输。
- 使用波分复用技术（Wavelength Division Multiplexing, WDM）在同一光纤上实现上下行链路的信号分离。

1. 实验平台搭建

   • 搭建声学测试平台，将传感组件置于消声室内，以减少环境噪声干扰。
     
   • 上行链路实验使用C34波段窄线宽激光器（Narrow Linewidth Laser, NLL），通过声光调制器（Acousto-Optic Modulator, AOM）将连续光波调制成脉冲光，传输至10公里单模光纤中。
     
   • 下行链路实验使用C32波段分布式反馈激光器（Distributed Feedback Laser, DFB），将音频信号加载到光信号上，并通过光纤传输至PPC进行光电转换。
     

2. 上行链路测试

   • 测试上行链路的音频传输性能，包括频率响应范围和信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）。
     
   • 在光纤的不同位置放置声源，验证系统的分布式传感能力。
     
   • 通过数据采集卡和计算机处理信号，提取和分析音频信息。
     

3. 下行链路测试

   • 测试下行链路的音频传输性能，包括SNR和总谐波失真（Total Harmonic Distortion, THD）。
     
   • 评估PPC在低光强条件下的功率转换效率。
     
   • 测试不同耳机阻抗对音频输出质量的影响。
     

4. 数据分析与优化

   • 分析上下行链路的测试数据，评估系统的音频传输性能。
     
   • 优化PPC结构，研究不同串联节点数对音频传输质量的影响。
     

主要结果
1. 上行链路性能
- 上行链路在10公里光纤上实现了频率响应范围高达5 kHz的分布式音频传输，SNR超过50 dB。
- 在2公里和8公里位置放置声源，系统能够准确定位声源并恢复音频信号，且声源之间无串扰。

1. 下行链路性能

   • 下行链路在10公里光纤传输后，音频信号的SNR超过50 dB，功率转换效率高达24%。
     
   • 在低光强条件下，PPC输出功率为1.59 mW，足以驱动耳机正常工作。
     

2. PPC优化

   • 通过减少PPC的串联节点数，提高了短路电流，从而改善了音频传输质量。
     
   • 在200 Ω耳机阻抗下，音频输出的SNR最高，THD最低。
     

结论
本研究成功开发了一种基于DAS和PPC的PB-AOF系统，能够在10公里单模光纤上实现传感、供电和通信的集成传输。该系统在上下行链路中均表现出优异的音频传输性能，且终端无需外部电源，适用于矿井等特殊场景。

研究亮点
1. 创新性
- 首次将DAS和POF技术结合，实现了被动双向音频传输。
- 自研InGaAs/InP PPC在低光强条件下表现出高功率转换效率。

1. 应用价值

   • 该系统在矿井等危险环境中具有重要应用潜力，能够实现高效救援和通信。
     
   • 为长距离、无外部电源的光纤通信系统提供了新的解决方案。
     

2. 技术突破

   • 上行链路采用Φ-OTDR技术，实现了全光纤范围内的分布式音频传感。
     
   • 下行链路通过PPC和偏置-T电路，实现了音频和电力的同步传输。
     

其他价值
本研究还为光纤通信和传感技术的进一步发展提供了实验数据和技术支持，特别是在低光强条件下的功率转换和音频信号恢复方面。