基于空芯前置光纤的单端放大无中继远程Φ-OTDR系统

《Optics & Laser Technology》：Unrepeatered remote Φ-OTDR system with single-ended amplifier using hollow-core leading fiber

　　

## 摘要

相敏感光时域反射仪（Φ-OTDR）被广泛用于关键基础设施的监测。然而，传统Φ-OTDR系统受光纤非线性效应限制，这限制了探测脉冲能量，从而限制了感知距离。为克服这一瓶颈，本文创新性地提出了一种以空芯光纤作为前导光纤（LF-HCF）的Φ-OTDR方案。该设计利用HCF的低非线性和低传输损耗特性，将高功率探测脉冲光传输至远程光纤被测端（RFUT），并将RFUT产生的背向散射信号返回至检测端。由此，该系统克服了传统Φ-OTDR系统的功率阈值限制，实现了超长距离无中继感知。此外，HCF的极低传输延迟进一步拓宽了系统的振动响应范围。实验结果表明，在总传输距离280 km（包含230 km的LF-HCF和50 km的RFUT）条件下，系统对RFUT保持1 m的空间分辨率。光纤远端的振动信号被清晰检测和恢复，系统噪声本底为?42 dB rad2/Hz，光信号进入50 km RFUT之前的信噪比超过30 dB，与常规实芯石英光纤相比，振动响应范围提升了37%。得益于HCF优异传输性能与LFM技术高分辨率解调能力的结合，该方案实现了超长感知距离和极高空间分辨率。值得注意的是，该方案代表了一种单端放大器的无中继远程Φ-OTDR方案，为深海或深地勘探等施工条件苛刻、且严格要求长感知距离和高空间分辨率的应用提供了极具前景的技术解决方案。

## 引言

相敏感光时域反射仪（Φ-OTDR）将标准通信光纤转化为连续分布式声学传感器，实现了对光纤沿线振动和声学信号的实时、长距离、高空间分辨率连续监测。该系统通过分析背向散射瑞利光的相位或强度调制来解调外部扰动，具有抗电磁干扰、在恶劣环境中表现稳健、部署灵活和成本低廉等优点。它已广泛应用于石油天然气管道安全监测、周界安防、地质灾害预警、交通状态感知和智能电网监测等领域[1]-[9]。

在传统Φ-OTDR系统中，最大感知范围受限于光纤中的信号损耗和系统的信噪比（SNR）。随着光脉冲长距离传输，背向散射信号变得过于微弱，无法有效地与噪声区分。为提高脉冲能量从而改善SNR，一种方法是提高信号的峰值功率。然而，受光纤非线性效应限制，过高的峰值功率在长距离传输过程中会引入显著的非线性相移，从而降低SNR。另一种方法是展宽脉冲宽度来增加脉冲能量。然而，脉冲宽度与系统的空间分辨率密切相关。实现更高的空间分辨率需要更短的脉冲，这反过来会加剧非线性光学效应，导致整体系统性能下降。因此，感知范围和空间分辨率作为DAS系统的两个关键性能指标，存在根本性的权衡关系[10]。

为克服这一瓶颈，研究人员主要发展了两类技术方案。第一类是光脉冲压缩技术，该技术传输线性频率调制或相位编码的宽脉冲，并在接收端通过匹配滤波将其压缩为窄脉冲，从而将脉冲能量与空间分辨率解耦[11],[12]。研究表明，即使使用微秒级宽脉冲，也可以实现米级甚至亚米级的空间分辨率[13]。第二类方案是光放大技术，通过引入分布式或离散放大单元来增加脉冲能量，同时尽可能抑制由光纤非线性效应引起的SNR退化，从而延长感知范围。研究人员利用远程泵浦放大器（ROPA）[14]、双向高阶分布式拉曼放大[15]和级联EDFA[16]来放大脉冲信号光，这些方法均有效地延长了感知距离。尽管光放大技术显著提高了感知范围，但在超长距离系统中，过多放大器累积的放大自发辐射（ASE）噪声会严重降低信噪比（SNR），往往迫使空间分辨率降至数十米[16]。将脉冲编码技术与分布式放大相结合可以在延长的同时提高分辨率。通过将线性频率调制或相位编码脉冲与在线拉曼放大相结合，实现了108 km和200 km的感知距离，空间分辨率分别为5 m和2 m[17],[18]。此外，超低损耗光纤的出现进一步延长了感知距离。2025年，Qian等人采用基于分数阶傅里叶变换（FrFT）的线性调频（LFM）技术结合混合放大技术，并利用超低损耗光纤，实现了感知距离300 km、空间分辨率1 m的DAS系统[19]。

根据现有研究，更低的光纤损耗、更高的脉冲能量和更低的非线性相移都有助于延长分布式光纤感知系统的感知距离。近年来，抗谐振空芯光纤（AR-HCF）因其显著的性能优势而受到研究人员的广泛关注。与传统石英光纤相比，AR-HCF具有更低的理论损耗极限、极低的色散特性、约30%的传播延迟降低，以及比传统实芯光纤低三个数量级的非线性效应[20]。此外，其瑞利散射系数比单模光纤低40 dB[21]。这些特性使其能够以不依赖拉曼放大器的高功率传输信号，实现超长距离无中继光传输。然而，对于长距离分布式光纤感知应用，AR-HCF既存在优势也存在劣势：一方面，其极低的散射系数使其不适合作为直接感知介质使用；另一方面，其低损耗和低非线性特性使其成为传输和导引感知信号的理想介质，从而有助于延长感知距离。

本文利用空芯光纤的极低非线性和更低理论损耗特性，将其作为分布式光纤感知系统的前导光纤（LF-HCF），用于传输高功率脉冲探测信号以及远程光纤被测端（RFUT）的背向散射光。我们展示了一种无中继远程Φ-OTDR系统，其中脉冲线性调频（LFM）信号通过11 W高功率掺铒光纤放大器（HP-EDFA）放大以获得高功率信号。然而，高功率放大器中的瞬态增益饱和引起的脉冲放大失真导致LFM信号在匹配滤波后峰旁瓣比（PSLR）退化，从而影响系统性能。为解决这一问题，我们采用增益钳制方法，向脉冲光提供非相干背景光，抑制由EDFA瞬态增益饱和引起的脉冲放大失真。此外，LF-HCF中的衰减仍然会使背向散射光减弱到无法与噪声有效区分的水平。为解决此问题，我们使用ROPA放大RFUT的背向散射信号。同时，为提高感知系统的空间分辨率，我们采用基于分数阶傅里叶变换（FrFT）的LFM方案来进一步提升系统性能[22]。实验结果证实，该系统实现了约280 km的检测范围和1 m的空间分辨率。特别值得注意的是，该方案是一种使用单端放大器的长距离、无中继、高精度感知方案，为深海或深地勘探等具有挑战性施工条件下的实际应用提供了极具前景的技术路径。

## 节选片段

### EDFA和ROPA建模

EDFA被建模为离散增益元件，提供最大小信号增益$G_{\max}$，该增益基于EDFA位置$z_k$处的瞬时输入信号功率$P_S(z-k)$进行增益饱和：

$$G_k = \frac{G_{\max}}{1 + P_S(z_k)/P_{sat}}$$

其中$P_{sat}$为饱和功率。EDFA还通过其噪声系数（NF）贡献于系统总噪声，产生沿光纤双向传播的ASE噪声[23]。前向传播信号在特定位置被EDF放大。

### 实验结果与讨论

基于上述仿真结果，我们对使用LF-HCF的超长距离分布式光纤感知系统进行了实验验证。图2展示了所提出的Φ-OTDR系统的实验配置。窄线宽光纤激光器（NLL, NKT, 型号E15）作为光源，发射波长为1550.12 nm、输出功率为16 dBm的连续波（CW）光。激光输出通过80:20保偏器件分为两路分支。

### 结论

本文提出了一种基于LF-HCF并集成LFM探测信号的超长距离无中继Φ-OTDR系统，旨在解决感知范围与空间分辨率之间固有的权衡问题。利用空芯光纤的极低光纤损耗和非线性特性，并依靠高功率放大器和远程泵浦放大器，该系统实现了280 km的无中继感知距离和1 m的空间分辨率。实验结果验证了该系统的……

### CRediT作者贡献声明

钱子晨：原创性草稿撰写、验证、方法论、数据整理。林仲鸿：形式化分析。高源：资源。陈灿：方法论。邓立：资金获取。李博中：资金获取。李鹏：资金获取。张磊：资源。罗杰：资源。吴军：资源、资金获取。张明明：形式化分析。赵志勇：项目管理。赵灿：数据整理、概念构思。唐明：项目管理、方法论。

### 资助

国家自然科学基金（62225110, 62205111）；湖北省杰出人才项目（2023BAA013）；湖北省自然科学基金（2025AFB008）。

### 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。

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