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光学频域反射技术噪声受限灵敏度分析模型的建立与验证
作者及机构
本研究由大连理工大学光电工程与仪器科学学院的Yiying Gu、Jianing Wang、Shuang Zheng和Shiyuan Zhao*（通讯作者）合作完成，发表于2025年6月的《Optics and Laser Technology》期刊（Volume 192, Article 113424）。
学术背景
光学频域反射技术（Optical Frequency Domain Reflectometry, OFDR）是分布式光纤传感和光纤链路表征的核心技术，其高空间分辨率、高灵敏度和大动态范围特性使其在通信和传感领域具有重要应用。然而，OFDR系统性能的定量评估长期面临挑战，主要原因在于系统复杂性高，且现有噪声分析多集中于单点菲涅尔反射（Fresnel Reflection, FR），而缺乏对瑞利背向散射（Rayleigh Backscattering, RB）信号这一主要传感目标的系统性研究。此外，不同场景下影响系统性能的组件特性（如激光器参数、光电探测器带宽、辅助干涉仪长度等）存在显著差异，亟需建立普适性模型以指导系统优化设计。本研究旨在提出一种噪声受限的OFDR灵敏度分析模型，通过量化系统参数与性能指标的关系，为系统设计和评估提供理论支持。
研究流程与方法
1. 模型构建
- 信号传输过程建模：基于OFDR系统偏振分集检测架构（图1），推导了探测电压与光纤实际反射率的映射关系（式3）。通过帕塞瓦尔定理将时域信号能量守恒转换至频域，并引入幅度归一化（式4），将电压谱转化为反射率。
- 噪声源分析：系统噪声包括散粒噪声（sshot）、光电探测器噪声（spd，含暗电流噪声、热噪声和运放噪声）、激光强度噪声（sinten）、相位噪声（spn1/spn2）以及数据采集卡（DAQ）的量化噪声（squan）等（式7）。通过功率谱密度（PSD）整合各类噪声，并基于非相关性假设建立总噪声模型（式8）。
- 灵敏度与信噪比（SNR）建模：通过幅度归一化将噪声功率谱转化为噪声受限灵敏度（式9），并推导RB信号的SNR表达式（式11），明确激光功率、扫描参数、光纤特性等对性能的影响机制。
主要结果
1. 噪声主导机制转变：低激光功率下系统受光电探测器噪声限制，中高功率时散粒噪声主导，而极强反射信号会引发相位噪声主导（图3）。实验证实150 MHz带宽下探测器噪声成为瓶颈（图4b）。
2. 灵敏度极限：系统灵敏度最终受限于相位噪声和量化噪声，扫描范围扩展至200 nm仅带来3 dB边际增益（图7）。
3. 特殊光纤应用：模型量化了瑞利增强光纤的相位噪声积累效应（图10a），并为FBG阵列的测量参数选择提供理论依据（图10b）。
结论与价值
本研究建立的噪声受限灵敏度模型首次实现了OFDR系统性能的全局参数化评估，其科学价值体现在：
1. 理论创新：通过PSD整合与幅度归一化，将多源噪声转化为统一的灵敏度指标，解决了传统分析中组件特性耦合的难题。
2. 应用指导：模型可直接输出灵敏度与SNR（式9/11），支持工程师快速优化激光功率（推荐>8 mW）、探测器带宽（建议≤45 MHz）等参数。例如，在长距离传感中，模型建议将光纤端浸入折射率匹配液以抑制相位噪声。
3. 技术拓展性：基于该模型开发的GUI软件可加速OFDR系统设计从经验驱动向模型驱动的范式转变。
研究亮点
1. 全噪声建模：首次同时涵盖RB信号相位噪声（式A3）和FR信号噪声（式A2），填补了传感场景下的理论空白。
2. 参数耦合分析：揭示了激光功率、探测器带宽与辅助干涉仪长度的协同作用机制（图4-5）。
3. 实验验证完备性：通过4类实验（功率/长度/扫描/光纤）覆盖短距传感与长距链路测量需求，误差均 dB。
其他价值
附录A提供的相位噪声解析表达式（式A1-A4）为后续研究激光线宽对传感精度的影响奠定了基础。研究还指出，未来可结合克拉美-罗下界（Cramér–Rao Lower Bound）进一步推导系统参数与解调误差的显式关系。
该报告严格遵循学术论文的结构，突出了模型创新性、实验系统性和应用指导价值，符合目标读者的专业需求。