《红外与激光工程》于2025年第4期推出了“光纤传感技术及应用”专题，本专题特别邀请了国内相关专家团队撰写最新研究综述14篇和原创性研究论文6篇。本期带来的是哈尔滨工业大学董永康教授团队最新工作。（查看全文请点击文末阅读原文）
撰稿人：雷艳阳
论文题目：Ф-OTDR系统中的衰落效应抑制研究进展(特邀)
作者：雷艳阳1,2，陈金博1,2，刘帅旗2，李天夫1,2，董永康1,2
完成单位：
1.哈尔滨工业大学 航天学院 激光空间信息全国重点实验室
2.哈工大郑州研究院
导读
相位敏感光时域反射计（Ф-OTDR）通过实时解调背向瑞利散射光信号的相位信息演变过程，可实现对传感光纤沿线振动/声音信号的定量测量与分析，并具有响应速度快、探测灵敏度高等优势，在周界安防、油气管线监测、海洋灾害预警等领域具有广阔的应用前景。由于Ф-OTDR系统受相干衰落效应和偏振衰落效应的影响，散射信号信噪比较低位置处将形成传感“死区”，导致相位信息解调失真。Ф-OTDR系统结构包括自相干探测和本振外差探测两大类，常见的解调方式包括IQ相位解调、Hilbert变换解调、PGC相位解调和3×3耦合解调。现有Ф-OTDR系统偏振衰落抑制方案主要包括全保偏系统结构、脉冲光偏振控制及偏振分集法，相干衰落抑制方案主要包括波长/频率/相位分集方案、特殊传感单元方案、算法补偿等方案。现有偏振和相干衰落抑制方案有效改善了Ф-OTDR系统中传感“死区”引起的相位解调失真问题，进一步实现了振动信号的高保真定量测量。随着Ф-OTDR系统应用领域的不断拓展，高解调速率、多参量融合感知将是未来Ф-OTDR技术的研究趋势。
研究背景
1993年，H.F.Taylor 等人首次提出Ф-OTDR系统，随着近十年来半导体产业的蓬勃发展，高性能窄线宽激光光源的日渐成熟，推动Ф-OTDR传感技术不断革新，使其成为光纤传感领域的前沿热点，并获得了广泛应用。根据解调方式的不同，Ф-OTDR技术可进一步细分为解调后向瑞利散射（RBS）光信号强度信息的分布式振动传感（DVS）系统，以及解调RBS光信号相位信息的分布式声波传感（DAS）系统。由于RBS信号的强度变化与振动导致的光纤形变没有线性数学关系，DVS系统通常用于对传感光纤沿线振动信号的定性分析；DAS系统的优势在于，RBS信号的相位变化与振动信号导致的光纤形变具有明确的线性数学关系，可实现对振动/声音信息的定量还原。然而，高相干光脉冲注入折射率分布不均匀的传感光纤中后，产生的RBS光信号在光脉冲半宽范围内相干叠加，相干相消位置具有较低的信噪比，在解调相位信息时将引起较大的解调误差，从而形成传感“死区”，恶化DAS系统的传感性能。其次，RBS光信号与本振参考光之间的偏振态失配也会导致传感“死区”。近年来，DAS系统中的衰落效应抑制一直是一个研究热点，大量的解决方案相继涌现，推动DAS技术更好地服务于工业领域。
主要内容
本文首先对Ф-OTDR系统的工作原理及常见的系统结构及解调算法进行描述归纳，对Ф-OTDR系统中偏振衰落解决方案进行简要概述；重点回顾和总结现有Ф-OTDR系统中相干衰落抑制技术的研究进展。最后，对Ф-OTDR系统的未来发展趋势进行展望。
在Ф-OTDR系统中，当传感光纤沿线外界振动事件导致光纤产生周期性微小形变时，导致光纤中传播的光波信号光程差改变，从而表现为振动事件对光波信号相位信息的调制。相干衰落效应作为Ф-OTDR系统的技术痛点及研究热点之一，研究人员提出并演示了大量的解决方案，核心思想是通过各种方式产生并合成多个低相关度的独立信号，对相干衰落效应导致的解调“死区”互补，从而实现时-空域双维度的高保真相位信息解调。相干衰落抑制的主流技术方案可归纳为：频率/相位/波长分集方案、特殊传感单元方案、算法补偿等方案。
在频率/相位/波长分集方案抑制相干衰落方面本文作者团队利用相干衰落点位置随探测脉冲光载频变化特性，提出基于相位调制光频率梳的Ф-OTDR相干衰落抑制技术，图1为演示实验中产生的7个频率梳，将其作为多频探测光经宽带声光调制成多频脉冲后注入传感光纤，利用获得的多条频分复用独立BRS信号，实现高保真相位信息解调。
图1 (a) 七个频率分量；(b) 概率密度分布
此外国内外众多科研团队提出了大量关于Ф-OTDR系统中衰落效应抑制研究的有效解决方案。图2为基于双频率梳相干并行的DAS系统，通过在相干型DAS系统中引入一对克尔孤子微腔频率梳，实现传感信号线性叠加的同时减轻了光源噪声，该项工作为研发下一代超灵敏、超长距离的DAS系统提供了关键技术支撑。
图2 基于双频率梳的DAS实验装置
在构建特殊传感单元抑制相干衰落方案中，研究人员提出一种基于双波长超弱光纤布拉格光栅（UWFBG）阵列的新型DAS（实验装置如图3所示），阵列中的UWFBG具有交替排列的两个波长，因此解调过程中采用两个不同波长且具有固定脉冲时序发射的双脉冲进行传感。该方法成功地克服了传统基于UWFBG的DAS在空间分辨率和传感距离之间的权衡，有效提高了一倍响应带宽；通过时分复用，避免了不同波长的串扰。
图3 基于交替排列的双波长UWFBG阵列的波长复用双脉冲DAS实验装置
在通过优化解调算法实现相干偏振衰落抑制方面，研究人员在传统单域衰落抑制方法的基础上，引入了综合衰落抑制（IFS）算法集的方法（系统光路如图4所示），该算法集提供了四种降噪方法，每种方法至少由两种独立的技术组成，多种单域去噪方法的结合提高了该方法的可靠性，且包含四种去噪方法的IFS算法具有高度的灵活性，可以满足不同应用场景的需求和偏好设置。
图4 实验系统结构
结论
相位敏感光时域反射计（Ф-OTDR）技术因在安防、管线监测和海洋预警等领域的广泛应用，其衰落效应抑制成为研究焦点。当前通过全保偏系统、脉冲光偏振控制、偏振分集法、波长/频率分集、特殊传感单元设计和智能算法补偿等技术，已显著提升系统性能与可靠性。未来发展方向集中于四大维度：一是开发高解调速率系统以满足物联网动态监测需求；二是实现温度、应变等多参量同步解耦与融合感知；三是结合深度学习优化算法，提升抗干扰能力；四是利用频率梳光源和新型光纤突破距离与灵敏度极限，拓展超长距离监测应用。随着光学、材料学与人工智能的交叉融合，Ф-OTDR技术正从实验室迈向工程化，其“光纤神经”特性将在工业安全、环境监测等领域释放更大潜力，推动高精度、高可靠性的全域感知网络建设。
作者介绍
董永康
董永康，教育部长江学者特聘教授/博士生导师，哈尔滨工业大学航天学院副院长，集成电路科学与工程学科负责人，激光空间信息全国重点实验室常务副主任，国家重点研发计划信息光子技术重点专项专家组成员，科技部国家重大科学仪器设备开发专项项目首席科学家，科技部金砖国家光子学工作组中方负责人，中国光学工程学会理事，国际著名期刊eLight编委，Optics Letters编委，Photonic Sensors编委，《红外与激光工程》、《中国激光》编委。从事光纤与激光传感器基础研究、技术研发和工程应用，取得多项创新性研究成果，并成功应用到国家重大工程中。在Nature旗下期刊Light: Science & Applications、Optica、Laser & Photonics Reviews等国际权威期刊发表论文110余篇，爱思唯尔高被引学者，获黑龙江省自然科学一等奖、中国光学工程学会技术发明一等奖、陕西省科技进步一等奖，主持国家重大科学仪器设备开发专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金、大型央企委托项目20余项。
雷艳阳
雷艳阳，哈尔滨工业大学航天学院在读博士研究生，主要从事光纤分布式声波、振动传感技术研究。已在Sensor、Optics express、光学学报、红外与激光工程等国内外期刊发表SCI/EI论文15余篇，已授权发明专利1项、实用新型专利6项、公开发明专利10项。
陈金博
陈金博，哈尔滨工业大学航天学院在读硕士研究生，主要从事光纤分布式声波、振动传感技术研究。已发表EI论文2篇，申请发明专利5项（公开发明专利3项）、实用新型专利5项。
文章信息
雷艳阳, 陈金博, 刘帅旗, 等. Ф-OTDR系统中的衰落效应抑制研究进展(特邀)[J]．红外与激光工程, 2025, 54(4): 20250051. DOI: 10.3788/IRLA20250051