光频域反射计(OFDR)噪声受限灵敏度分析模型的构建与应用

针对光频域反射计(OFDR)系统性能量化评估难题，研究人员提出了一种噪声受限灵敏度分析模型。该模型通过瑞利背向散射(RB)信号功率映射关系，将噪声功率谱转化为系统灵敏度指标，定量分析了激光功率、辅助干涉仪长度等关键参数对信噪比(SNR)的影响，为OFDR系统设计与优化提供了理论支撑。实验与仿真验证表明，模型可精准预测不同场景下的系统性能极限。

　　

在光纤通信与分布式传感领域，光频域反射计(OFDR)凭借微米级空间分辨率和千米级测量范围成为核心技术。然而，其复杂的噪声来源——从激光器的强度/相位波动到光电探测器(PD)的量子噪声——使得系统性能评估长期依赖经验判断。传统研究多聚焦于单点菲涅尔反射(FR)分析，而忽略了对分布式传感至关重要的瑞利背向散射(RB)信号与噪声底的关系。更棘手的是，不同应用场景下主导系统性能的组件特性各异，激光参数、光路配置等四大类数十项参数相互耦合，亟需建立普适性量化模型。

针对这一挑战，中国的研究团队在《Optics》发表论文，创新性地构建了OFDR噪声受限灵敏度分析模型。该研究通过建立RB实测功率与实际功率的映射关系，将各类非相关噪声的总功率谱经幅度归一化转化为距离域灵敏度指标，进而推导出SNR解析表达式。实验系统采用辅助干涉仪结构，通过控制激光输出功率(10-20 mW)、调节辅助干涉仪长度(1-10 km)等变量，验证了模型对系统性能的预测能力。

Evaluation and analysis of OFDR system
研究团队首先解析了OFDR信号传输链，揭示出光纤反射率与测量功率谱的定量关系。通过将激光相对强度噪声(RIN)、探测器热噪声等主要噪声源功率谱叠加，构建了涵盖12项关键参数的系统灵敏度方程。

Experimental Verification
对比仿真与实测数据发现：当激光功率从10 mW提升至20 mW时，RB信号SNR提升3.2 dB，与模型预测误差<0.5 dB；辅助干涉仪长度超过5 km后，相位噪声对灵敏度的影响呈指数增长。偏振分集检测架构可使偏振相关损耗降低15 dB以上。

Conclusion
该模型首次实现了OFDR系统参数与性能指标的全局关联，特别揭示了激光扫频非线性度每增加1%，系统动态范围会衰减2.3 dB的定量规律。研究不仅为高精度OFDR系统设计提供方法论指导，其建立的噪声传递框架还可拓展至其他分布式光纤传感技术。国家重点研发计划(2022YFB3402500)的支持凸显了该成果在国产高端光纤仪器开发中的战略价值。

值得注意的是，作者Yiying Gu等通过引入Cramér–Rao下界理论，证明该模型可准确预测不同光纤位置处的应变测量极限。这些发现为5G光纤链路诊断和油气管线分布式监测等应用提供了关键理论工具。