类型a：学术研究报告

一、研究团队与发表信息
本研究由NEC Labs America、Verizon及NEC Corporation的联合团队完成，主要作者包括Ezra Ip、Yue-Kai Huang、Ming-Fang Huang等，成果发表于《Journal of Lightwave Technology》2023年2月刊（Vol. 41, No. 4）。论文标题为《DAS over 1,007-km Hybrid Link with 10-Tb/s DP-16QAM Co-Propagation Using Frequency-Diverse Chirped Pulses》，属于光纤传感与通信交叉领域的研究。

二、学术背景与研究目标
分布式声学传感（Distributed Acoustic Sensing, DAS）是一种利用电信光纤监测振动信号的技术，可应用于地震监测、交通流量分析等领域。传统DAS的探测距离受限于瑞利后向散射信号的信噪比（SNR），通常仅能覆盖数十公里。本研究旨在通过以下创新突破距离限制：
1. 技术挑战：长距离DAS需解决信号衰减、非线性干扰（如与共传数据信道的交叉相位调制XPM）及激光相位噪声问题。
2. 科学目标：开发基于啁啾脉冲（Chirped-Pulse, CP）和频率分集（Frequency-Diversity, FD）的DAS方案，实现超1000 km的传感距离，并与10 Tb/s DP-16QAM（双偏振16阶正交幅度调制）数据信号共存。

三、研究方法与实验流程
1. 信号设计与编码增益
- 啁啾脉冲（CP）：通过线性调频脉冲（带宽10 MHz，持续时间10 μs）提升SNR，其自相关特性可压缩噪声，理论编码增益达20 dB。
- 频率分集（FD）：采用20个频分复用的啁啾脉冲（中心频率间隔10 MHz），通过旋转矢量求和（Rotated-Vector-Sum）算法合并多频信号，进一步降低衰落噪声。

1. 混合链路构建

   • 光纤组合：实验使用实验室光纤与野外光纤（美国达拉斯Verizon网络）混合的13段链路，总长1007 km，包含双向拉曼放大器（无隔离器设计）以增强后向散射信号。
     
   • 共传数据信道：50路密集波分复用（DWDM）信号（191.75–194.25 THz），其中一路为实时200 Gb/s DP-16QAM信道，用于验证非线性兼容性。
     

2. 实时与非实时实验

   • 离线实验：采用20×FD-CP-DAS，通过相干接收机与数字信号处理（DSP）算法（图4）解调振动信号，空间分辨率20米，采样率95.2 Hz。
     
   • 实时原型：基于FPGA的简化版CP-DAS（无频率分集），在209.4 km链路上实现400 Hz采样率，验证工程可行性。
     

3. 非线性抑制技术

   • 幅度整形：在啁啾脉冲上升/下降沿插入升余弦滤波器（Rise-Time=60 μs），将XPM对数据信道的误码率（BER）影响降至零（图14）。
     

四、主要结果与逻辑关联
1. 传感性能
- 测量分辨率：在1007 km末端实现约100 pε/√Hz的应变分辨率（图11），满足地震监测需求（ nε/√Hz）。
- 振动定位：通过压电陶瓷（PZT）模拟振动事件，成功区分相距1.5米与12米的两个振动源（图10），验证空间分辨率。

1. 数据共存验证

   • 所有50路DWDM信道在传感信号功率+2.2 dBm时，保持零前向纠错（FEC）后误码率（图15），证明XPM抑制有效。
     

2. 实时系统结果

   • FPGA原型在209.4 km链路上监测到通勤列车振动（图17），与达拉斯轻轨时刻表匹配，显示实际应用潜力。
     

五、研究结论与价值
1. 科学价值
- 首次将DAS距离扩展至>1000 km，突破了瑞利散射的SNR限制，为超长距分布式传感提供了新范式。
- 提出的FD-CP-DAS算法（公式5–23）为多频分集信号处理提供了理论框架。

1. 应用价值
   
   • 电信运营商可利用现有光纤网络实现地震、交通监测，降低部署成本。
     
   • 实时FPGA原型（第V节）为商业化DAS设备开发奠定基础。
     

六、研究亮点
1. 技术创新
- 全拉曼放大链路设计避免了隔离器对后向散射信号的阻断。
- 频率分集与啁啾脉冲联合编码的SNR增益达32 dB（理论值）。

1. 跨学科意义
   
   • 首次实现DAS与10 Tb/s级数据信道的共存，推动光纤“通信-传感一体化”发展。
     

七、其他发现
实验观察到野外光纤的环境振动（如车辆通行）在5–47.6 Hz频域内显著（图12），表明DAS在城市基础设施监控中的潜在应用。