基于时隙脉冲的同频移相Φ-OTDR相位失真抑制方法与高精度振动解调研究

《Optical Fiber Technology》：Phase distortion suppression for phase-sensitive OTDR using time-slotted pulse

针对直接检测相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)中长扰动范围导致的相位失真问题，研究人员创新性提出时隙脉冲检测方案。通过双声光调制器件生成同频移相时隙脉冲，结合滑动窗口经验模态分解(SWEMD)算法，在10040米传感光纤上实现50-1300Hz振动/声信号的精准解调，振幅拟合系数达0.99以上。该研究为低采样率(50MHz)Φ-OTDR系统提供了高质量相位解调方案。

　　

在海底水声探测、管道泄漏监测等领域，相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)因其长距离传输优势成为研究热点。然而传统直接检测Φ-OTDR面临严峻挑战：当采用光纤环结构提升灵敏度时，扰动范围长度增加会导致相位参考点受干扰，造成相位失真。更棘手的是，现有双脉冲调制方案虽能突破单脉冲宽度限制，但需要复杂的相位/频率差调制，对系统硬件要求极高。如何在不改变光纤结构的条件下实现高精度相位解调，成为制约Φ-OTDR性能提升的瓶颈问题。

针对这一难题，太原理工大学的研究团队在《Optical Fiber Technology》发表创新成果，提出时隙脉冲直接检测Φ-OTDR新方案。该研究通过双声光调制器(AOM)与延迟光纤的巧妙组合，仅用常规器件即实现同频移相时隙脉冲生成，配合创新的滑动窗口经验模态分解(SWEMD)算法，成功在万米级光纤上实现宽频带信号的高保真解调。

关键技术方法包括：1）采用双80MHz声光调制器(AOM1/AOM2)生成100ns脉宽的时隙脉冲；2）通过延迟光纤灵活调节脉冲间隔以适应不同扰动范围；3）建立基于4步移相干涉原理的相位解调模型；4）开发SWEMD算法解决相位失真各向异性问题。实验使用1550nm窄线宽激光器(NLL)和5kHz重复频率的脉冲序列，采集40,000条瑞利后向散射(RBS)轨迹进行分析。

【时隙脉冲干涉原理】
理论模型揭示，当脉冲间隔T_s与扰动范围匹配时，时隙脉冲对的相对相位差可有效隔离扰动影响。通过构建包含脉冲A/B的干涉方程，推导出相位变化量与外部信号的定量关系，为解调算法奠定理论基础。

【实验系统】
系统核心创新在于采用普通单模光纤构建30米光纤环，配合100米延迟光纤实现5μs时隙。对比实验证明，该配置下50Hz-1300Hz振动信号的振幅拟合系数达0.9912，显著优于传统单脉冲结构0.85以下的性能。

【实验结果与讨论】
在10040米传感光纤上的重复性实验显示：1）时隙脉冲结构使相位信噪比提升12dB；2）SWEMD算法有效分离混杂在RBS信号中的多模态干扰；3）系统在50MHz低采样率下仍保持0.9906的声信号解调精度，验证方案对硬件资源的友好性。

该研究突破性地证明：1）时隙脉冲方案可将扰动范围限制从脉冲宽度转为双脉冲间隔，理论扰动容限提升300%；2）SWEMD算法通过本征模态函数(IMF)筛选，解决长光纤中相位失真空间分布不均的难题；3）系统兼容现有光纤基础设施，为海底电缆监测等工程应用提供经济高效的解决方案。研究团队特别指出，该方法无需昂贵的电光相位调制器，仅通过常规声光器件组合即可实现，对推动Φ-OTDR技术实用化具有重要价值。