基于增强抗畸变编码与波形重建的70公里长距离拉曼分布式光纤传感新范式

《Nature Communications》：70 km long-range Raman distributed optical fibre sensing through enhanced anti-distortion coding and waveform reconstruction

本研究针对拉曼分布式光纤传感因信噪比(SNR)低导致传感距离受限的核心难题，提出融合增强抗畸变编码(EAD-coding)、波形重建预处理和Haar小波去噪的协同机制。实验实现70.0 km传感距离、1.58 m空间分辨率、5.39°C温度分辨率和44,303个有效传感点，突破传统方案SNR与距离的理论权衡瓶颈，为长距离基础设施监测提供新方案。

　　

在基础设施安全监测领域，分布式光纤传感技术因其能够实现连续、实时的温度测量而备受关注。其中，拉曼分布式光纤传感(Raman Distributed Optical Fibre Sensing)凭借其快速测量速度、简单结构和固有的温度敏感性，已成为研究前沿。该技术已广泛应用于交通网络、电力传输设施和大规模线性装置的安全监测。然而，与瑞利(Rayleigh)和布里渊(Brillouin)散射光相比，拉曼散射光强度较低，其信号比入射检测信号弱50分贝(dB)，导致信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)较低的技术瓶颈，严重阻碍了长距离传感应用的发展。

虽然增加脉冲宽度能有效增强拉曼散射信号的SNR，但这是以空间分辨率下降为代价的，形成了无法平衡传感距离和空间分辨率的技术瓶颈。现有的脉冲编码方案虽然在一定程度上提升了性能，但仍受限于硬件实现复杂度高、编码解码计算开销大、非线性效应抑制能力有限以及对信号畸变的抵抗能力不足等问题。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，太原理工大学张帆、李健等研究人员提出了一种创新性的解决方案——增强抗畸变编码(EAD-coding)和波形重建方案。该方案通过三方协同机制，有效缓解了SNR、传感距离和硬件成本之间的传统权衡问题。

研究人员为开展本研究，主要采用了以下几个关键技术方法：首先构建了基于Golay互补序列的增强抗畸变编码系统，包括数字延迟脉冲发生器(DDPG)调制和半导体光放大器(SOA)；其次开发了针对掺铒光纤放大器(EDFA)瞬态效应的波形重建预处理框架，通过傅里叶变换和逆变换技术消除检测信号畸变；最后采用Haar小波变换进行多级去噪处理，并结合db10小波函数进一步优化信号质量。实验使用70公里单模传感光纤作为测试样本，通过雪崩光电探测器(APD)和数据采集卡(DAC)进行信号采集与分析。

实验结果

实验系统构建

研究团队建立了基于EAD-coding和波形重建方案的拉曼分布式光纤传感实验系统。激光器产生中心波长为1550纳米的连续激光，通过DDPG调制SOA产生基于Golay互补序列的编码检测信号。每个检测信号经EDFA放大后通过波分复用器(WDM)进入单模传感光纤，产生的拉曼后向散射信号(Raman Backscattered Signal, RBS)由APD进行放大和光电转换，最终由DAC采集并在计算机中解调获得分布式温度信息。

瞬态效应对检测信号和RBS的影响

研究发现，EDFA中的瞬态效应会显著影响传感性能(SNR和温度精度)。瞬态增益波动是由于粒子数反转的弛豫过程无法与输入激光功率的快速变化瞬时平衡而产生的。这种现象会导致非均匀放大，使检测信号在通过EDFA时产生时序畸变，从而破坏检测信号的自相关性，最终限制系统的传感性能。

实验结果表明，瞬态效应引起的自相关特性退化显著损害了系统传感性能。波形重建预处理有效抑制了瞬态效应，使RBS的平均SNR提高了1.11 dB，解码后的RBS强度更高，SNR进一步提高了1.45 dB。

RBS去噪和SNR增强

研究采用EAD-coding与Haar小波去噪的协同方法来抑制沿传感光纤的温度波动噪声。基于EAD-coding方案，可以在不诱发受激拉曼散射的情况下显著提高入射光功率，从而增强有效拉曼信号强度。同时，编码信号与非编码噪声之间的可分离性实现了有效的噪声抑制，提高了SNR。

实验结果表明，经过Haar小波去噪后，EAD-coding方案和传统单脉冲解调方案的SNR分别提高了7.63 dB和2.92 dB。在传感光纤末端，EAD-coding方案将峰峰值比从0.0081降低到0.0006，显著扩展了系统的传感距离。

温度传感性能提升

在温度解调和SNR结果方面，传统单脉冲方案表现出约300°C的显著温度波动。集成EAD-coding与Haar小波去噪的协同方法将系统温度波动降低至22.51°C，同时SNR提高了7.24 dB。EAD-coding中的预处理架构通过抑制瞬态效应和重建RBS，进一步将系统温度波动降低至20.86°C，SNR再提高1.48 dB。

在温度分辨率方面，与传统单脉冲方案实现的29.25°C相比，集成EAD-coding与Haar小波去噪的协同方法将系统温度分辨率提高至5.82°C。EAD-coding中的预处理架构进一步将系统温度分辨率提升至5.39°C。实验结果表明，在70.0 km的传感距离下，EAD-coding和波形重建方案实现的温度分辨率比传统方法提高了5.43倍。

在空间分辨率测量方面，该方案实现了1.58 m的空间分辨率，能够精确识别FUT的空间位置和长度。

研究结论与讨论

本研究通过EAD-coding、Haar小波去噪和波形重建方案，突破了传统方案中SNR与传感距离的理论权衡瓶颈，同时在保持相对较低复杂度的情况下实现了性能突破。实验结果表明，在70.0 km的长距离下，系统实现了5.39°C的温度分辨率，有效传感点数量达到44,303个，这是目前拉曼分布式光纤传感领域报道的最高水平。

EAD-coding中的预处理架构通过整合RBS的自相关特性分析以及波形分析和重建，增强了编码脉冲序列的时间保真度和传输稳定性，进一步提高了系统的SNR和温度测量精度，使温度测量精度达到0.91°C。

在物理性能限制方面，研究的优化主要受到实验设备性能不足、物理解调原理和采集时间成本三个方面的限制。未来计划采用具有更高最大码长的DDPG和更高采样率的DAC，以消除硬件设备对传感距离的限制。同时，考虑使用少模光纤来增加注入光纤的光功率，并尽可能减少模间色散。

在理论与实际SNR比较方面，对于码长为64位的编码技术，在最大输入平均光功率为0.2 mW的条件下，理论SNR改善为6 dB。然而，在实际实验中，EAD-coding方案允许更高的平均输入功率(约0.7 mW)，修正后的理论SNR改善为11.46 dB。由于EDFA在放大有效信号的同时引入了大量的放大自发辐射噪声，最终的实验SNR改善为8.72 dB，略低于理论值。

该方法的核心创新在于提出了一个协同增强的两级噪声抑制机制，在多层次联合去噪方面展现了创新性。首先，该方案通过其固有的编码增益提高传感信号的SNR；其次，针对解码信号中具有特定时频域分布特征的残余噪声，引入Haar小波变换进行自适应噪声滤波。这种由预处理框架补偿抑制瞬态效应、编码增益改善基线SNR和小波变换精细去除残余噪声组成的三重协同机制，突破了传统方案中SNR与传感距离的理论权衡瓶颈，为长距离拉曼分布式光纤传感提供了一个有效的解决方案框架。