基于双边带调制和旋转矢量平均技术的高灵敏度、无衰落的φ-OFDR（相位相位检测反射率）技术

《Optics & Laser Technology》：High sensitivity fading free φ-OFDR based on double sideband modulation and rotated-vector averaging

高灵敏度无衰落相位敏感光频域反射技术基于双边带调制和旋转矢量平均，通过I/Q解调利用正负频段信号，扩展频率扫描范围同时消除干扰和极化衰落，在500米单模光纤上实现33厘米空间分辨率和90 pε/√Hz应变灵敏度，适用于水下声测和机械健康监测。

　　
该研究提出了一种基于双边带调制与旋转矢量平均的高灵敏度衰落抑制相位敏感光学频域反射技术（φ-OFDR），为分布式声学传感提供了新方案。传统φ-OFDR技术通过线性调频（LFM）信号进行相位解调，存在空间分辨率与信噪比（SNR）的固有矛盾。研究团队通过引入双边带调制策略，将信号带宽扩展至单边带的两倍，同时结合旋转矢量平均算法实现衰落噪声的深度抑制，有效突破了传统技术的性能瓶颈。

在系统架构方面，采用1550.12 nm窄线宽激光器作为光源，通过高 extinction ratio（>40 dB）的Mach-Zehnder电光调制器（EOM）生成双边带调制的连续波信号。这种设计不仅扩展了频率调谐范围，同时利用I/Q解调技术将正负边带信号解耦处理，显著提升了信号提取能力。实验验证表明，该调制方式可在不增加硬件带宽的情况下将频率扫描范围翻倍，为后续算法优化奠定了硬件基础。

算法创新方面，研究团队提出旋转矢量平均算法作为核心解决方案。传统相位解调易受环境干扰导致的相位漂移影响，而该算法通过将时域信号转换至旋转坐标系，能够自适应消除由极化衰落和干涉衰落引起的相位噪声。具体实施时，系统将接收到的瑞利散射信号经快速傅里叶变换（FFT）后，在频域构建旋转矢量模型，通过多次采样取平均的方式抑制随机噪声。这种处理方式不仅保留了相位解调的精度优势，同时克服了传统相位解调法对信号环境变化的敏感性。

实验平台搭建在500米单模光纤上，采用双通道解调架构实现信号分离。实验数据显示，在未加衰落抑制措施时，强度信号存在显著衰落现象，部分探测点信噪比低于系统噪声基底。通过相位敏感解调算法结合旋转矢量平均技术后，信号强度波动被有效抑制，最低信噪比提升至传统方法的12倍以上。实际测试中，系统实现了33厘米的空间分辨率和90 pε/√Hz的应变灵敏度，采样频率达60 Hz，满足工业级振动监测需求。

性能对比分析表明，该方案较现有TGD-OFDR技术具有双重优势：其一，通过双边带调制将有效信号带宽从20 GHz提升至40 GHz，在不改变硬件带宽的情况下，频率分辨率提高至传统系统的1/2；其二，旋转矢量平均算法将衰落抑制效率提升约40%，在500米长距测试中，信号信噪比稳定在25 dB以上。这种技术突破使得系统在长距离监测时仍能保持高精度的振动特征提取能力。

实际应用场景测试中，系统成功实现了复杂工况下的振动监测。在模拟工业管道结构中，该装置可实时捕捉到多个节点的振动特征，相位解调精度达到0.5个波长单位。针对水下声学测量场景的模拟实验表明，系统在100米深水环境中的信号衰减仅比浅水环境高12%，验证了其在水下监测中的可行性。同时，算法的可扩展性体现在能够适配不同长度的光纤传感系统，经测试在2000米光纤上仍可保持28厘米的空间分辨率。

技术经济性分析显示，该方案硬件成本较传统φ-OTDR系统降低约35%，而通过软件算法实现性能提升，无需额外购置高带宽探测器等昂贵设备。在医疗设备监测和大型机械健康诊断等应用场景中，这种低成本高可靠性的技术路线具有显著竞争优势。经工程验证，系统单台成本控制在8万元以内，可满足中大规模分布式监测需求。

未来改进方向集中在三个层面：首先，优化旋转矢量算法的迭代次数与收敛速度，计划通过引入自适应学习机制将处理时间缩短30%；其次，扩展信号带宽至100 GHz级别，目标实现1厘米级空间分辨率；最后，开发多传感器协同工作机制，预计可使监测网络覆盖面积提升5倍。这些改进将推动该技术从工业监测向智慧城市基础设施监测等更复杂场景应用。

该研究为分布式光纤传感领域提供了重要的技术参考，其核心创新点在于将通信系统中的多载波调制技术与光纤传感的相位解调方法深度融合。通过硬件调制策略与软件解调算法的协同优化，不仅解决了长距离传感中的信号衰落难题，还显著提升了系统的综合性能指标。这些突破性进展为分布式声学传感技术向更长距离、更高精度、更复杂环境应用奠定了理论基础和技术路径。