基于相干光频域反射技术的超激光相干长度瑞利散射特征长距离测量研究

一、作者及发表信息
本研究由日本NTT公司接入网服务系统实验室的Shingo Ohno、Daisuke Iida、Kunihiro Toge和Tetsuya Manabe合作完成，论文题为《Long-range measurement of Rayleigh scatter signature beyond laser coherence length based on coherent optical frequency domain reflectometry》，发表于2016年8月的《Optics Express》期刊（Vol. 24, No. 17）。

二、学术背景
研究领域为光纤传感技术，聚焦于瑞利散射特征（Rayleigh scatter signature）的长距离测量。瑞利散射特征由光纤制造过程中随机折射率起伏引起的背向散射干涉形成，可用于光纤识别、温度/应变传感（如3D形状传感）。传统方法（如相干光时域反射技术C-OTDR）受限于激光相位噪声，测量范围难以超越激光相干长度（coherence length）。本研究提出通过分析局部瑞利背向散射的光功率谱（scatter power spectrum），突破相位噪声限制，实现100公里级长距离高精度传感。

三、研究流程与方法
1. 理论模型构建
- 传统方法局限：基于C-OFDR（相干光频域反射技术）的复散射谱（complex scatter spectrum）因相位噪声随距离累积，导致特征重复性下降。
- 新方法原理：提出散射功率谱（|σab(t)|²），其相位噪声仅与局部段尺寸相关，与测量距离无关。公式推导显示，功率谱中本地光相位噪声被抵消，仅保留散射体间的相对相位差（Eq. 3）。

1. 实验设计

   • 光源与系统：采用两种激光器（相干长度10 km和500 m），通过单边带（SSB）调制器实现2 GHz频率扫描，空间分辨率理论值5 cm。
     
   • 偏振处理：采用偏振分集接收（polarization diversity）消除双折射影响，双平衡探测器分别采集P/S偏振数据，经傅里叶变换和矢量合成生成偏振无关谱。
     
   • 温度响应测试：在100 km单模光纤（SMF）中设置温控水浴段（精度0.01°C），验证温度敏感性。
     

2. 关键实验步骤

   • 重复性验证：对比复散射谱与功率谱的交叉相关性（cross-correlation），结果显示功率谱在70 km后仍保持高相关性（图4）。
     
   • 温度灵敏度标定：40 km处温度变化0.02°C导致功率谱频移25.6 MHz，灵敏度-1.28 GHz/°C（图5-6）。
     
   • 参数优化：
     
     • 段尺寸（segment size）：段长需远小于相干长度以避免相位噪声干扰（图7）。
       
     • 扫描速率（sweep rate）：提高扫描速率（如400 GHz/s）可抑制空间分辨率展宽（δzmax ∝ 1/γ，Eq. 4），提升小段尺寸下的相关性（图8）。
       
   • 信号平均（signal averaging）：通过200次平均将100 km测量的温度分辨率提升至0.003°C（图9-13）。
     

四、主要结果
1. 长距离测量验证：功率谱在10 km和500 m相干长度激光下均实现100 km范围可重复测量，复散射谱则失效（图4）。
2. 温度传感性能：100 km分布式测温中，25 m段长下温度分辨率达0.003°C，线性响应范围1.4°C（图12-13）。
3. 噪声抑制机制：信号平均有效降低探测器噪声，尤其在低相干激光下可补偿空间分辨率展宽（图9-11）。

五、结论与价值
1. 科学价值：首次通过散射功率谱分析突破激光相干长度限制，为长距离光纤传感提供新理论框架。
2. 应用价值：支持电信级光纤网络的分布式高精度传感（如海底电缆监测、大型基础设施健康评估）。
3. 技术拓展性：结合频域重采样（resampling method）可进一步优化空间分辨率（引用[15,16]）。

六、研究亮点
1. 方法创新：提出散射功率谱作为抗相位噪声的特征载体，理论推导与实验验证完备。
2. 性能突破：实现100 km级测温，较传统C-OFDR范围提升两个数量级。
3. 参数优化体系：明确段尺寸、扫描速率与信号平均的协同作用机制。

七、其他发现
- 空间分辨率展宽效应：低相干激光下，有效段尺寸可能因信号平均而增大，需在分辨率与重复性间权衡（图10-11）。
- 多参数耦合影响：温度灵敏度与光纤材料特性一致，验证了方法的物理一致性（图6）。

（注：全文术语如C-OFDR、SSB modulator等首次出现时标注英文，后续使用中文简称。）