本研究由北京智芯微电子技术有限公司的王帅鹏、黄海超与北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室的王浩淼、张治国、王奕凡合作完成。研究成果以论文形式发表，题为《OFDR Distributed Demodulation Optimization Algorithm Using Discrete-Time Analytic Signal Backscattered Rayleigh Spectrum》，于2025年11月18日在期刊《Sensors》上发表，卷25，文章编号7044。

本研究的学术领域属于光纤传感技术，具体聚焦于光学频域反射仪这一分布式传感技术的信号处理算法优化。光学频域反射技术因其高空间分辨率与测量精度，在航空航天、电力监测等工业领域具有广泛应用。其核心解调过程包含距离域映射、瑞利背向散射谱重建及通过互相关计算提取波长偏移三个关键步骤。其中，RBS的重建质量是决定最终解调性能的关键。然而，传统的RBS重建方法涉及滑动窗口截断、补零等操作，会不可避免地引入频谱泄漏、边缘效应、振铃效应和截断误差，导致重建的局部频谱包含高频噪声和虚假振荡，进而影响后续互相关计算的准确性与系统测量的稳定性。尽管已有研究通过补零插值、硬件加速或双段RBS相似性特征等方法试图优化，但这些方法要么计算复杂度显著增加，要么未能从根本上提升RBS本身的质量。因此，本研究旨在提出一种能在不增加算法复杂度的前提下，有效提升RBS重建质量的新方法，以增强OFDR传感的精度、稳定性和鲁棒性，满足高精度分布式测量的需求。研究目标是开发一种基于离散时间解析信号的OFDR分布式解调优化算法。

研究的详细工作流程包括算法原理构建、实验系统搭建、性能对比验证三个核心环节。首先，在原理与方法部分，研究团队系统阐述了DTA信号的理论基础及其在OFDR解调中的应用流程。DTA信号是一种仅包含正频率分量的复值序列，其幅度等同于原实信号的包络。将DTA信号概念引入RBS重建，即产生了DTA-RBS算法。该算法的关键创新在于其工作流程：在通过快速傅里叶变换将时域数据映射至距离域后，滑动窗口仅需选择正频率的距离域数据（传统方法需选择共轭对称数据），随后根据DTA信号的频域构造公式（对直流和奈奎斯特频率点保留原值，对正频率点数据乘以系数2，负频率点置零）进行系数缩放，构造DTA频率域数据，再经过逆快速傅里叶变换并取幅度，即可得到DTA-RBS。这一流程充分利用了OFDR解调中数据已处在频域的特性，通过简单的系数操作生成具有包络特性的频谱，在理论上能增强光谱特征强度并抑制重建过程中引入的高频噪声和虚假振荡，且无需额外的插值或平滑处理步骤，计算复杂度与传统RBS方法相当，甚至在FPGA实现中能节省50%的存储空间并简化寻址逻辑。

其次，为验证DTA-RBS算法的性能，研究团队搭建了一套标准的OFDR实验系统。系统核心包括Luna Phoenix 1200可调谐激光器（调谐范围1546-1554 nm，扫频速率100 nm/s）、由耦合器、环行器、偏振控制器和偏振分束器构成的光路、Thorlabs PDB465C-AC平衡光电探测器以及Gage CSE8329数据采集卡。待测光纤长度为50米，并引入了200米延时光纤的辅助干涉仪以补偿激光扫频非线性。在距离光纤末端约47米处，将一段80厘米长的光纤牢固粘贴在电机位移台上，用于施加应变。在解调参数设置上，距离域滑动窗口长度设置为64点（对应3.2毫米空间分辨率），RBS与DTA-RBS重建的频谱长度均设置为2048点。

实验验证流程包含多个步骤，研究对象为采集到的瑞利背向散射信号数据。具体实验与数据分析如下：1) RBS与DTA-RBS重建对比：首先，选取测试光纤3.2米处的距离域数据进行重建过程分析。频域数据显示，传统RBS的频域数据具有共轭对称性，而DTA-RBS的频域数据仅保留正频率分量且幅度加倍。经过IFFT后，得到的DTA-RBS在形态上等同于RBS的整体包络，其单一峰值往往包含了RBS中多个相邻峰值的信息，且峰值强度更高，直观展现了其增强光谱整体特征并抑制高频细节振荡的特性。2) 互相关强度实验：为探究DTA-RBS对互相关强度的提升效果，选取未施加应变的10.24米处数据进行分析。结果显示，DTA-RBS的重建谱在参考数据与测试数据之间表现出更优的峰值匹配特性与波形相似性。其互相关峰值强度达到0.977，高于RBS的0.936。更重要的是，在光纤末端48米处信噪比下降的条件下，DTA-RBS的互相关峰值强度仍维持在0.951的高水平，而RBS则降至0.843，证明了DTA-RBS更强的抗噪能力。对整个测试光纤的统计分析表明，DTA-RBS的平均互相关峰值强度为0.9527，显著高于RBS的0.9096。3) 标准偏差性能实验：为评估解调稳定性，选取30米至43米未受应变的纤段进行分析。该段解调结果的理论波长偏移应为零，实际波动由系统噪声等引起。实验结果表明，DTA-RBS解调结果的波动范围远小于RBS。RBS解调结果的标准差为7.7808皮米，而DTA-RBS仅为2.8267皮米，性能提升了63%。通过10次独立重复测试进一步验证，DTA-RBS的平均标准差为2.7523 ± 0.1776皮米，其置信区间远窄于RBS的7.0196 ± 1.1476皮米，展现了卓越的稳定性和可重复性。配对t检验结果（t(9)=8.70， p<0.001）证实了该性能提升具有统计学显著性。4) 分布式应变解调实验：为验证算法在实际大应变测量中的性能，对粘贴在位移台上的80厘米光纤施加了1500微应变（对应拉伸1.2毫米）。解调结果显示，在应变区域内，传统RBS方法产生了四个异常数据点，其解调值严重偏离真实应变水平，意味着在这些位置发生了解调失败。而DTA-RBS方法在整个应变区域的所有位置均实现了正确解调，且结果波动更小，稳定性更好。为深入分析根本原因，研究团队检查了RBS解调失败点（如47.51米和47.77米）的互相关函数。发现DTA-RBS的互相关真峰强度（分别为0.8865和0.86）显著高于其旁瓣，确保了正确峰值识别。而RBS的互相关真峰强度（0.7559和0.7051）低于其他位置出现的虚假峰值强度（0.7615和0.7291），导致算法错误地将旁瓣假峰判断为峰值，从而引发解调失败。这归因于DTA-RBS的包络特性有效抑制了噪声和虚假振荡，保留了更高信噪比的真峰。

本研究的核心结论是，所提出的基于离散时间解析信号的DTA-RBS优化算法，为提升OFDR传感性能提供了一条理论严谨且实践有效的路径。该算法在不增加计算复杂度的前提下，通过利用解析信号的包络特性，显著增强了瑞利背向散射谱的特征信息与强度，同时有效抑制了重建过程引入的高频噪声和虚假振荡。实验全面验证了其优越性：在互相关强度、解调标准偏差（稳定性）以及大应变条件下的鲁棒性方面均取得显著提升。这直接转化为OFDR系统在测量精度、稳定性和可靠性方面的整体增强。

本研究的亮点在于其创新性与实用性并重。重要发现包括：DTA-RBS能将平均互相关峰值强度从0.9096提升至0.9527；将未应变段的解调标准差改善63%；在大应变条件下能避免传统方法因假峰干扰而产生的异常解调点，展示了更强的鲁棒性。方法新颖性体现在：首次将离散时间解析信号理论系统性地应用于OFDR的RBS重建中，创造性地利用频域构造法生成DTA-RBS，实现了特征增强与噪声抑制的双重效益。特殊价值在于：该算法流程无需改变传统OFDR硬件架构，计算复杂度未增加，易于集成到现有系统中；特别地，其在FPGA等硬件实现中具有显著优势，因仅需正频率数据，可优化50%的存储空间和寻址范围，并为简化后续处理算法（如去除插值和平滑步骤）提供了可能，有利于实现高速实时解调。

此外，研究团队也对DTA-RBS的潜在局限性进行了客观讨论，指出其包络特性在增强大应变场景下鲁棒性的同时，可能会损失部分光谱细节信息，这可能在检测微小应变时带来挑战。平衡包络增强与细节保留之间的关系，是未来值得深入研究的方向。团队也表示将在FPGA平台上实现该算法，以进一步验证其在提升解调速度方面的潜力。这些讨论为后续研究指明了方向，增强了报告的科学严谨性。