综述：分布式光纤传感中的先进解调技术：基于背向散射与UWFBG的技术回顾

《Sensors》：Advanced Demodulation in Distributed Fiber Optic Sensing: A Review of Backscattering and UWFBG-Based Technologies Yiming Wang, Liang Zhang, Canyang Sun, Changjia Wang, Xin Gui, Xuelei Fu and Zhengying Li

　　

分布式光纤传感（DFOS)已成为大规模基础设施结构健康监测的关键技术，在覆盖范围和环境适应性方面具有独特优势。本综述对两种主流技术路线进行了全面分析：基于光纤固有背向散射的全分布式传感，以及基于超弱光纤布拉格光栅(UWFBG)网络的大容量传感。对于背向散射系统——包括拉曼(Raman)、布里渊(Brillouin)和瑞利(Rayleigh)散射——信噪比(SNR)、空间分辨率与传感距离之间的固有权衡构成了主要性能瓶颈。本综述系统总结了旨在克服这些物理限制的先进解调和信号处理策略，包括脉冲编码序列、混沌激光压缩相关以及深度学习增强的降噪算法。与此同时，对于UWFBG技术，本综述讨论了从传统多点光纤布拉格光栅(FBG)阵列到准分布式及全分布式UWFBG网络的演进。通过混合复用、混叠光谱重建以及基于色散的解调技术，在实现高空间分辨率和高速 interrogation 方面取得了关键突破。通过综合调制方案、检测硬件和算法处理的最新进展，本文概述了DFOS技术向高精度、长距离和实时传感网络发展的轨迹。

## 1 引言

大规模关键基础设施（如长距离油气管道、高速铁路隧道、电力传输网络、大跨度桥梁、建筑物及构筑物）构成了现代社会的生命线。传统点式传感器（如应变片和加速度计）往往存在覆盖范围有限、电磁干扰敏感以及长距离布线困难等问题，难以满足数十甚至数百公里基础设施监测需求。在此背景下 Annie 在此语境下，分布式光纤传感（DFOS）应运而生，利用光纤本身作为传感介质，连续捕获沿整根光纤长度的外部物理场信息，包括温度、应变和振动等参数。

DFOS的发展可追溯至1977年提出的光时域反射计(OTDR)概念，最初用于光纤故障检测。经过数十年发展，技术已从简单的衰减测量演进为能够解析相位、频率和偏振变化的精密传感系统。按照传感机制，DFOS通常分为两大类：基于散射的全分布式传感和基于光栅的准分布式传感。

第一类全分布式传感依赖石英光纤纤芯内的固有散射效应。瑞利散射广泛用于振动和声学传感，如相位敏感型光时域反射计($\varphi$-OTDR)或分布式声学传感(DAS)；布里渊散射提供温度和应变信息；拉曼散射则是分布式温度传感(DTS)的标准方案。这些技术的关键优势在于可使用标准单模电信光纤而无需任何改性，实现高达100 km的传感距离。然而，它们面临基本物理限制：固有背向散射系数极低（通常低于–80 dB/m），导致信号强度微弱。因此，这些系统在SNR、空间分辨率和传感距离之间存在固有权衡。例如，压缩光脉冲以提高空间分辨率不可避免地降低脉冲能量，从而恶化SNR并限制传感距离。

第二类基于光纤布拉格光栅(FBG)阵列。传统FBG传感器具有高SNR和多参数精密测量优势，但由于复用复杂性以及单根光纤上可刻写光栅数量有限（通常少于100个），历史上局限于准分布式应用。然而，光纤在线写入技术的最新进展实现了UWFBG网络的批量生产。通过将反射率降低至极低水平（如–40 dB至–50 dB），单根光纤可集成数千甚至数万个光栅，串扰可忽略不计，形成连续的大容量传感网络，在密度上可与全分布式系统媲美，同时保留光栅的高精度优势。

尽管取得上述进展，现代工程应用对更高空间分辨率（毫米级）、更长距离（>50 km）和实时响应（>kHz）的需求，给信号解调带来巨大压力。简单强度检测已不足够，先进解调已成为DFOS性能提升的核心驱动力，涉及相干检测、混沌激光、频率扫描线性化等硬件创新，以及脉冲编码序列（如Golay和Simplex编码）、压缩感知、图像去噪算法和深度学习等软件突破。

## 2 基于背向散射的DFOS网络

分布式光学散射传感网络通常基于光纤固有背向散射原理与散射传感解调技术。其核心技术基于三种光学散射机制：用于温度测量的拉曼散射、对温度和应变均有响应的布里渊散射，以及瑞利散射。为实现对背向散射光信号变化的解调，主要采用OTDR和OFDR两种技术途径。

### 2.1 OTDR解调技术

OTDR利用光脉冲在光纤中的传播和反射特性，对光纤线路上的物理量及光纤本身特性进行定位和量化。在传统OTDR光电检测系统中，信噪比、空间分辨率和检测范围之间的权衡是常见的基于物理原理的固有限制。

#### 2.1.1 拉曼光时域反射计

基于拉曼散射的分布式光纤传感通过测量光纤中反斯托克斯光和斯托克斯光的强度比来检测温度变化。在ROTDR方案中，结合OTDR技术，利用拉曼散射光的强度信息进行时域组网。然而，与瑞利散射和布里渊散射相比，拉曼散射强度最弱、系统SNR最低。

为克服这些限制，近年研究主要聚焦三种优化策略：**脉冲编码方案**通过编码调制检测脉冲源并在解调系统中设计相应解码过程，在不增加单脉冲功率的情况下改善SNR和动态范围；**压缩相关解调方案**通过对具有随机波动特性的检测脉冲源与差分重构的拉曼反斯托克斯光信号进行相关解调，获得更高SNR和不受传统OTDR脉冲宽度限制的空间分辨率；**数字信号处理算法**则高效降低噪声，改善拉曼散射信号的SNR。

#### 2.1.2 布里渊光时域反射计

基于布里渊散射的分布式光纤传感通过分析散射光的频率和功率变化来测量光纤沿线的温度或应变。BOTDR技术结合OTDR技术，具有单端入射和全分布式传感等优势。

为克服性能限制，研究人员主要从两个方向探索：**脉冲编码方案**通过编码调制检测脉冲源并设计相应解码过程，在不增加单脉冲功率的情况下提高SNR和动态范围；**后处理技术**则在不变更硬件结构或增加泵浦单脉冲功率的条件下优化BOTDR性能。此外，增益开关调制方案通过设计基于电流控制的增益状态调制过程，可在不增加单脉冲功率的情况下提高系统SNR、降低布里渊频移(BFS)测量误差并延伸传感距离。

#### 2.1.3 瑞利光时域反射计

基于瑞利散射的分布式传感通过分析背向散射光中的强度、偏振和相位变化来测量光纤沿线的事件和物理参数。当前，$\varphi$-OTDR因其在振动和声学检测中的高灵敏度而广受关注。

为克服相位噪声、外部环境干扰导致的SNR不足，以及空间分辨率、传感距离与系统SNR之间的基本权衡，研究人员主要通过三个方向解决：**编码调制**将高功率短脉冲转换为低峰值功率的宽编码序列在光纤中传输，避免非线性效应并提高SNR，在接收端通过脉冲压缩技术将能量集中于极窄脉冲，恢复高空间分辨率；**辅助参考光路或补偿算法**有效抑制核心噪声源如激光相位噪声、频率漂移和信号衰减；**降噪算法**作为提升OTDR性能的核心软件，直接通过抑制信号中的随机噪声和特定噪声来改善SNR。

### 2.2 OFDR解调技术

OFDR利用光纤中频率随时间变化的连续光波的干涉特性，对光纤链路中的各个事件点及光纤本身特性进行定位和量化。在基于OFDR的系统中，空间分辨率与频率扫描范围成反比。

#### 2.2.1 拉曼光频域反射计

ROFDR技术结合基于拉曼散射的分布式传感与OFDR技术，分别检测不同频率调制光的背向散射反斯托克斯光和斯托克斯光，再通过逆傅里叶变换获取系统时域响应信息，解调传感光纤上的温度分布。

近年突破主要包括：通过抑制信号相干性和抖动，有效提高ROFDR系统在远距离温度传感中的空间分辨率和解调精度；应用压缩感知技术，有效减少信号采集的数据量，提高信号处理效率。

#### 2.2.2 布里渊光频域反射计

BOFDR技术结合基于布里渊散射的分布式传感与OFDR技术，利用频域与空域的映射关系实现光纤沿线上温度和应变的定位与测量。相比BOTDR技术，BOFDR避免了调制脉冲宽度和声子寿命对空间分辨率和传感距离的限制，规避了时域脉冲展宽问题，对光源波动、光纤弯曲损耗等干扰具有更强容忍度。

#### 2.2.3 瑞利光频域反射计

结合基于瑞利散射的分布式传感与OFDR技术，利用瑞利背向散射信号(RBS)的强度、相位和光谱信息实现对应变、振动等参数的高精度分布式测量。该技术具有毫米级空间分辨率、高灵敏度和动态范围等核心优势。

性能提升主要集中在三个方向：**改进或创新解调方法**，克服部分性能指标间的制约，拓展OFDR应用场景；**硬件校准或算法补偿**，解决光源扫描机制缺陷导致的扫频非线性，以及光源固有机理和环境干扰导致的空间点扩散函数展宽等问题，优化调制和传输过程中RBS的光谱质量；**降噪算法**，通过数字信号处理优化RBS信号质量，抑制噪声干扰，提升传感性能。

## 3 基于UWFBG的DFOS网络

UWFBG网络已成为弥合离散点式传感器与全分布式系统之间差距的有力解决方案。与传统FBG传感器不同，UWFBG阵列具有超低反射率（通常低于–40 dB）和高集成密度（间距从厘米到米级），有效构建了类似背向散射光纤的连续传感通道，但信号强度显著增强。

### 3.1 $\varphi$-OTDR解调技术

传统$\varphi$-OTDR系统依赖固有瑞利背向散射，存在信号强度极弱（约–80 dB/m）和随机偏振衰落等固有限制。将UWFBG阵列引入$\varphi$-OTDR系统，从根本上将传感机制从随机散射转变为离散反射。

#### 3.1.1 信噪比增强

SNR是UWFBG基$\varphi$-OTDR系统高保真重构的基石。**相位噪声补偿**方面，利用辅助干涉仪的相位噪声补偿结构，通过相关相减光源相位抖动，显著增强系统低频检测限；**先进调制与编码**方面，双脉冲检测方案抑制串扰，Golay编码调制技术增强相邻光栅相位干涉的振动信号SNR；**偏振衰落抑制**方面，采用正交偏振脉冲 interrogate 阵列的偏振分集方案，动态选择可见度更高的通道，有效消除偏振引起的盲点。

#### 3.1.2 动态范围优化

$\varphi$-OTDR系统的动态范围根本上受限于相位缠绕模糊性和系统采样率。**多波长与光学解缠绕**策略通过硬件辅助突破固有限制，采用双波长探测方案进行线性回归解缠绕，以及啁啾脉冲interrogation方案将频移映射为时延扩展可测动态应变范围；**算法相位解缠绕**提供软件定义路径，差分解缠绕积分算法有效缓解高转换速率事件期间的投影误差，最小二乘线性规划相位解缠绕算法通过Offline calculation确定缠绕阶数，实现时空独立的相位解缠绕；**深度学习增强解缠绕**则引入数据驱动方法，实时预测和校正缠绕误差。

### 3.2 OTDR解调技术

OTDR技术是最常用的准分布式光栅波长信息组网解调方法。该技术利用来自不同空间位置光栅的反射光时延，在时域中区分串接光栅阵列。

#### 3.2.1 空间分辨率优化

克服空间分辨率限制的主要方法包括**混合复用技术**和**混叠光谱解调技术**。混合复用技术整合时分复用(TDM)、波分复用(WDM)和空分复用(SDM)等技术，防止相邻光栅之间的光谱重叠，克服单一时间域的限制。混叠光谱解调技术允许光栅光谱在时域中混叠，随后通过算法处理提取波长信息。

#### 3.2.2 解调速度提升

提升OTDR准分布式光栅解调速度的关键在于优化将光栅波长信息转换为时域信息的效率。**色散补偿光纤(DCF)解调方法**利用DCF的色散延迟效应将FBG波长变化转换为相应时延变化；**边沿滤波器解调方法**将FBG波长变化转换为光强波动；**提高扫频激光波长扫描速度**则减少每个光栅波长对应的时域带宽，实现单次扫描获取完整光栅叉分时域光谱。

### 3.3 OFDR解调技术

利用OFDR技术对光栅阵列进行解调最初由Froggatt等人于1996年提出。该方法根本在于通过频域分析获取光栅脉冲响应。系统采用线性扫频激光光源，通过检测传感臂反射光与参考臂反射光之间产生的拍频信号，基于频率成分对空间不同位置的光栅进行分辨。

#### 3.3.1 解调精度优化

提高OFDR系统解调精度的关键在于优化激光性能和补偿扫频非线性。通过辅助光路补偿激光源非线性扫描，实现高空间分辨率和大测量范围的分布式应变测量；采用高波长分辨率可调谐激光源，利用辅助干涉仪补偿光源扫频非线性，并借助相移FBG的超窄带光谱特性，显著提高分布式温度测量精度。

#### 3.3.2 解调速度提升

提升OFDR解调速度的主要途径包括信号处理算法优化和硬件加速。基于加权滑动窗傅里叶变换和逻辑激活函数阈值处理的快速解调方法，在保持高空间分辨率的同时将解调速度提升至传统短时傅里叶变换方法的24倍。基于FPGA的二维FFT和频域互相关算法，通过优化硬件资源利用，实现实时应变解调。此外，采用直接光谱峰值查找算法替代传统互相关操作，有效提升解调速度，突破OFDR系统解调速度的 engineering bottleneck。

综上所述，无论是基于背向散射还是UWFBG的DFOS网络，其解调技术的发展均呈现出从单一指标优化向系统级协调优化转变的趋势。解调不再仅仅是下游信号解释步骤，而是决定传感系统在实际部署约束下能否有效趋近理论性能极限的核心设计维度。未来，面向应用的传感架构与解调算法协同设计、标准化基准协议、边缘计算与硬件加速支持的鲁棒实时解调，以及更具泛化性、可解释性和稳定性的智能解调方法，将成为推动DFOS技术从实验室走向规模化工程应用的关键方向。