光纤凭借其抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小易嵌入等特性，成为大型结构体健康监测的重要载体。随着长距离、高密度监测需求的日益增长，传统点式光纤传感器由于难以形成大型光纤传感网络而逐渐显现出技术局限性，而分布式光纤传感器可同时获得被测场随时间和空间变化的分布信息，根据被测场分布将光纤按需求铺设为特定的结构，即可形成大规模、全覆盖的传感网络，实现对被测场的全方位监测。以布里渊光时域分析仪（BOTDA）与布里渊光时域反射计（BOTDR）为代表的布里渊分布式光纤传感器可实现对温度、应变的米级空间分辨率和百公里级分布式监测，在地质灾害预警、电力管网监控、轨道交通设施监测等领域展现出显著优势，其长距离覆盖能力和大动态响应特性为基础设施的全生命周期管理提供了可靠的技术支撑。
图1 分布式光纤传感技术应用于不同领域
研究背景
布里渊散射技术通过分析光与光纤中声波的相互作用，根据布里渊频移实现对外界物理量的精准反演，如图2所示。其中，BOTDA基于受激布里渊散射，需双向光入射，信噪比高但系统较为复杂；BOTDR基于自发布里渊散射，单端入射，操作便捷，但信号强度较弱。
图2 BFS与温度和应变的关系
对于BOTDA/R系统而言，信噪比（SNR）是决定整个传感系统性能的核心因素，直接影响到系统的测量精度、空间分辨率、测量范围和动态范围等关键参数，对系统信噪比的全面分析是优化系统综合性能的基石。本研究旨在系统性地综述BOTDA/R系统中的信噪比表现与优化方法，基于已有的信噪比模型，深入解析信噪比优化的核心逻辑，梳理并总结影响系统信噪比性能的主要参数及其相应的优化极限，探讨对探测和采集的要求以及后处理方法的优化方案。通过建立一套覆盖“硬件设计-信号采集-数据处理”的全链路优化框架，为经典BOTDA/R系统的极限性能的实现提供理论指导，也为更先进的传感方案
主要内容
作者针对两种经典的分布式布里渊传感技术（BOTDA/R），根据对BOTDA/R系统噪声的深入分析以及信噪比建模，厘清了各系统参数之间相互制约的本质，并发现通过合理调整泵浦脉冲峰值功率、探测光功率、本振光（OLO）功率，并选择合适的探测方案和采样方案，以及采用高效的后处理算法，可以逼近经典BOTDA/R系统性能天花板。
1）在BOTDA系统中，泵浦脉冲峰值功率越高，布里渊散射信号越强，但过高的功率会触发调制不稳定性（MI），引发信号畸变并降低。因此，通常需要将泵浦脉冲峰值功率调至接近MI阈值以最大化信噪比。探测光功率的优化需兼顾非本地效应与受激布里渊散射（SBS）限制。
图3 不同脉冲峰值功率下的MI增益谱和测得的BOTDA时域曲线
2）BOTDR系统中的泵浦脉冲峰值功率和OLO功率的优化需要根据SNR模型，结合已有的系统参数（如脉冲峰值功率、脉冲宽度、光纤长度等）进行合理地联动调整，以适应不同测量环境的需要，通过合理的功率搭配策略，同时实现系统的最佳性能和最低能耗。
图4 不同本振功率下的BOTDR噪声与信噪比表现
3）硬件参数配置优化包括探测器带宽和采样率。探测器的带宽通常要求大于携带布里渊信息的传感信号带宽，以确保信号能够完整地被接收并进行后续处理。需要注意的是，探测器带宽并不是越大越好，探测器带宽通常直接决定了光电探测噪声（一般为热噪声和散粒噪声）的带宽，而噪声带宽越大，相同信号水平下的SNR性能就越差，进而降低系统的测量精度。采样率需超过噪声带宽的2倍，防止噪声混叠，在此基础上实施数字后处理滤波方可以实现最佳去噪效果。数字滤波的截止频率不能设置在信号带宽内，否则，导致滤除噪声的同时使信号失真，换句话说，在BOTDA/R等系统中，信号带宽内的噪声限制了后处理技术的去噪极限，即使通过先进的信号处理方法，也无法超越这一物理限制。
图5 采样率对数字滤波去噪的影响
4）根据布里渊增益谱（BGS）拟合方式的不同应选择相应的参数优化方案。在系统带宽和拟合过程已经优化的前提下，此外任何后处理技术（如图像处理、深度学习等）无法带来显著的额外性能提升。此外，在序列域维度进行测量精度的评估可以确保数据点的完全统计独立，避免对系统实际传感性能的误判。
图6 对洛伦兹型曲线进行二次拟合的仿真结果
结论
作者针对两种经典的分布式布里渊传感技术（BOTDA/R），通过归纳和梳理近年来关于其信噪比分析及系统性能优化问题的研究成果，总结出一套系统性和综合性的优化框架，涵盖了系统参数优化与后处理方案的选择等。尽管当前优化方案已逼近经典BOTDA/R系统的理论极限，但仍面临一些挑战，例如，尽管已有部分先进技术能够大大提升传统系统中非线性效应对信噪比的限制，但是较高的系统复杂度和较大的设备成本使得其较难商业化，如何在提升系统性能的同时进一步向低成本、小型化发展成为当前分布式布里渊传感系统产业化应用的潜在挑战之一。在现有经典系统优化方案的基础上，对更高阶传感方案（如融入先进的放大技术或编码技术等）进行性能极限的探索与系统优化方案的讨论，也是布里渊传感技术的一个重要方向。
随着优化框架的完善与新技术的提出，布里渊分布式光纤传感技术或将成为智慧城市、新能源基础设施的“隐形守护者”，在更多应用场景中点亮安全预警的“信号灯”。
作者及团队介绍
作者所在研究组隶属于北京邮电大学信息光子学与光通信全国重点实验室，长期从事高速光通信与分布式光纤传感技术研究。
通讯作者
杨智生，教授，博士生导师。北京邮电大学博士，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）博士后。获国家级海外引进青年人才、北京市科技新星。致力于研究分布式光纤传感基础原理和应用解决方案。获华为火花奖、国网技术发明二等奖。（曾）任“国际光纤传感会议（OFS）”技术委员会委员、“中国光纤传感大会”分布式传感专题共主席。发表国际论文90余篇，含顶刊Nature Communications、Optica等，以及领域权威会议OFS PDP论文。负责国家自然科学基金委项目、173项目课题和校企联合项目。
文章信息
靳思梦, 杨智生, 王晴, 等. 布里渊分布式光纤传感技术性能评估与优化研究进展(特邀)．红外与激光工程, 2025, 54(4): 20250097. DOI: 10.3788/IRLA20250097
全文链接：http://irla.cn/article/doi/10.3788/IRLA20250097阅读原文）