基于OFDR与非破坏性通信光纤的联合断点定位感知ISAC系统研究

本文创新性地提出了一种基于光频域反射仪(OFDR)的光纤传感与通信集成系统方案，通过将强度调制直接检测(IMDD)技术与OFDR技术相结合，在单波长信道内实现了25 Mbps数据传输与12.28 cm精度的光纤断点定位双重功能。该系统采用非线性扫频补偿的可调谐激光器生成线性调频(LFM)光信号作为通信载波与传感探针，通过滑动窗归一化算法解决激光器功率周期性衰减问题，仿真验证其在20 km标准单模光纤(SMF)上可实现25 Gbps高速通信与精准故障定位。

　　

Highlight

本文提出了一种基于光频域反射仪(OFDR)的光纤集成传感与通信(ISAC-OF)系统创新方案。该系统巧妙地将强度调制直接检测(IMDD)技术与OFDR技术"联姻"，在单波长信道上实现了数据传输与光纤断点定位的"双轨并行"。

Architecture and principle of the ISAC-OF base on OFDR

为实现高性能ISAC-OF系统，我们设计了如图1所示的OFDR基系统架构。发射端(TX)产生集成波形信号注入光纤链路，通信接收端(Com. RX)位于链路末端解析强度信息，而传感接收端(Sen. RX)通过背向散射光实现断点定位——这就像给光纤同时安装了"通信发射器"和"CT扫描仪"。

Experiments setup

验证实验中（图3），采用分布式反馈激光器(DFB-1550-I-N-1-PM)作为光源，任意波形发生器产生超三角波驱动激光器扫频。光信号起始波长1549.25 nm，扫频范围1.6 GHz，经掺铒光纤放大器(EDFA)放大后进入25 km测试光纤，最终由25 GHz带宽光电探测器(PD)接收。这套"光学侦探装备"可精准捕捉光纤中的异常反射事件。

Transmission performance

在25 Mbps通信速率测试中（图4a），激光调制导致的周期性功率衰减严重影响信号质量。我们开发的滑动窗归一化(SN)算法如同"信号均衡器"，通过优化窗长使误码率从10^-3降至10^-9。图4b的星座图清晰展示了算法对信号完整性的修复效果。

Conclusion

本系统创新性地将OFDR传感与IMDD通信功能分别映射到光信号的频域和幅度域，犹如让光信号同时承载"摩尔斯电码"和"声呐脉冲"。实验证明其可实现12.28 cm定位精度，仿真显示在20 km SMF上支持25 Gbps传输，为智能光网络监测提供了"一纤双雕"的解决方案。