在基于相位敏感光时域反射仪（OTDR）的系统中，采用改进的基于相位相关解调（PGC）的方案实现精确的分布式光纤扰动检测

《Optics and Lasers in Engineering》：Accurate distributed fiber-optic disturbance sensing in phase-sensitive OTDR system with an improved PGC-based demodulation scheme

分布式光纤扰动传感中非线性失真抑制方法研究。本文提出一种集成相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR）与单光栅马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的系统，结合改进的相位生成载波（PGC）差分自分频交叉相乘（SDCD）算法，有效抑制非线性失真，提升分布式光纤扰动传感精度。

　　

孙振实|田大忠|杨浩坤|赵成伟

中国南阳理工学院信息工程学院，南阳473004

摘要

基于相位敏感光时域反射仪（Φ-OTDR）的系统可以通过直接解调瑞利后向散射强度曲线，在标准商用光纤中实现长距离的全分布式干扰检测。然而，采用直接强度解调方法的系统通常表现出瑞利后向散射光强度与施加干扰事件之间的非线性关系。这种非线性对干扰信息的定量测量带来了挑战。为了解决这一限制，本文提出了一种将Φ-OTDR系统与改进的相位生成载波（PGC）解调方法相结合的精确干扰检测方案。具体而言，在基于Φ-OTDR的系统的末端部分加入了一个马赫-曾德尔干涉仪配置，并在MZI-based传感布置的一个传感路径上施加了一个高频调制载波信号。随后，来自传感光纤链路上特定干扰位置的瑞利后向散射光信号发生干涉，产生一个随时间变化的干涉光信号。由于该信号的相位信息与施加的干扰事件成正比，因此可以通过解调相关的相位偏移来定量评估干扰数据。基于这一理解，采用了改进的PGC算法，该算法对光强度幅度失真和高阶谐波失真具有抗性，用于检索施加的干扰信息。理论模拟和实验测试表明，所设计的分布式检测方案可以有效减轻由干涉传递函数和光强度引起的非线性失真效应。

引言

在包括大型建筑结构健康监测[1]、关键地质物理勘探[2]和关键区域周界安全[3]等应用领域，精确的干扰检测和测量至关重要。为了在这些领域实现精确的干扰检测，已经开发了多种传感器[[4]]、[5]]、[6]]。然而，在这些现有的传感器中，使用相位敏感光时域反射仪（Φ-OTDR）的分布式光纤干扰传感器（DFODSs）由于具有高定位精度、广泛的监测范围以及网络集成的便利性[[7]]、[8]]、[9]]而受到了最多的关注。特别是，基于Φ-OTDR的传感系统将高度相干的光脉冲引入光纤链路，并通过获取瑞利后向散射（RBS）光来检测链路中的干扰事件。尽管收集到的RBS曲线信号在光纤链路中表现出随机变化，但只有在受到外部干扰影响时，每个传感点的强度才会发生变化。基于这一理解，可以通过直接解调收集到的RBS曲线来精确确定施加干扰的位置[10]。

对于强度解调的Φ-OTDR系统[11]，可以通过RBS曲线获得干扰位置。然而，观察到干扰幅度与RBS信号的强度之间存在非线性相关性。这种现象源于传感系统的余弦依赖传输光谱特性。因此，当仅使用RBS强度信号进行解调时，施加干扰的完整周期性会受到影响，导致重构的频谱中出现高阶谐波成分[12]。由于差分相位信息与施加的干扰成正比[13]，研究人员提出并设计了一系列基于相位解调的算法，以实现沿传感光纤链路的干扰的定量测量。这些专门为基于Φ-OTDR的传感系统设计的算法主要包含三种主要的解调方法：基于相位生成载波（PGC）的方法[14]、基于3×3耦合器的线性解调方法[15]以及同相/正交（I/Q）解调方案[16]。为了准确检索施加的干扰信号，PGC-based解调方法在系统中得到了广泛应用。这归功于其显著的优势，包括结构简单、灵敏度高、线性优异和动态范围广。特别是在PGC-based信号解调过程中，首先在测试光纤上施加一个高频载波调制信号，生成一个相应的相位载波。该载波信号随后将干扰引起的相位偏移上转换到其相应频谱的边带上。通过从PGC调制的传感信号中提取一个奇数阶分量和一个偶数阶谐波分量，可以获得一对完全编码目标相位偏移的正交分量。对于干扰引起的相位偏移的相位解调，广泛采用了两种主要方法：反正切解调方法（PGC-Arctan）[17]和差分交叉乘法解调技术（PGC-DCM）[18]。

例如，余等人利用基于传统PGC-Arctan解调框架的单路径差分分割PGC处理方法[19]。该方法专门设计用于在集成Φ-OTDR技术和迈克尔逊干涉仪配置的DFODS系统中重建干扰引起的相位偏移。随后，孙等人使用基于差分自分割的PGC-Arctan解调算法成功提取了施加干扰的幅度-频率特性，同时保持了相同的传感系统配置[20]。尽管这两种改进的PGC-Arctan解调方案能够对施加的振动进行定量测量，但它们受到-π/2到π/2范围的限制。值得注意的是，在这个区间的边界处会出现相位不连续性，使得在这个范围之外恢复干扰信息变得复杂[[21]]、[22]]、[23]]。此外，与基于PGC-DCM的方法相比，基于PGC-Arctan的方法在解调过程中更容易引入非线性失真效应。这是因为它们使用非线性函数来计算最终结果。基于这一见解，研究人员开发了一套基于PGC-DCM方案的相位解调算法。在参考文献[14]中，刘等人将经典的PGC-DCM方案直接应用于在参考文献[19,20]中构建的DFODS-based传感系统。结果表明，可以准确重建构建系统的相位-压力关系。在参考文献[24]中，余等人在相同的DFODS-based传感系统基础上开发了一种改进的PGC解调方法，该方法仅使用单个载波信号来解调干扰引起的相位偏移信号。最近，耿等人提出了一种用于经典相干Φ-OTDR系统的数字化虚拟载波解调方法，其中通过DCM操作直接检索干扰引起的相位偏移信息[25]。根据参考文献[14,24,25]中的发现，与使用PGC-Arctan解调方案获得的相位偏移相比，这些解调方法产生的谐波失真更低。然而，所有这些报告的基于PGC的解调方法都对光强度变化非常敏感，导致在光强度快速波动的条件下稳定性受到影响。另一方面，所有在文献中描述的传感系统都使用不平衡的迈克尔逊传感结构来生成最终的干涉输出，这在一定程度上复杂化了具体的解调过程。

为了在基于DFODS的系统中精确检索干扰引起的相位偏移，我们设计了一种改进的相位解调算法。该算法基于PGC算法并结合了单差分交叉分割（SDCD）技术。在所提出的算法中，在Φ-OTDR系统的接收端集成了一个马赫-曾德尔干涉仪（MZI）。来自传感光纤链路上特定干扰位置的RBS光由于MZI配置的两个光路径之间的差分相位延迟而发生时间干涉。通过用高频载波信号直接调制其中一个MZI光臂，传感方案在整个测量带宽内实现了相对均匀的相位灵敏度。随后，在MZI-based传感配置的接收端直接检测到干涉信号后，可以使用所提出的PGC-SDCD方法进行准确的解调。已经系统地进行了大量实验来验证所提出方案的有效性。测试结果证实，这种相位解调方法有效抑制了干涉引起的强度波动，表现出最小的解调失真，并具有出色的抗噪能力。此外，与报告的解调方案相比，所提出的方案具有简单的传感结构和高解调精度。

本文的其余部分组织如下：第2节提出了一个包含传感机制和解调原理的全面理论框架。第3节详细介绍了实验实现，包括系统架构设计、验证结果和讨论。最后，第4节对整篇论文进行了简洁的总结。

部分摘录

使用MZI传感结构的RBS光的自干涉

使用基于Φ-OTDR的传感技术的DFODSs通过利用与探针脉冲相关的受激发射的RBS光来执行特定的传感过程。更准确地说，传感过程是通过检测探针脉冲沿光纤传播过程中多个散射中心产生的相干RBS光的相位变化来实现的。为了精确提取干扰引起的相位偏移，我们提出的设计结合了

所提出的基于DFODS的系统的实验设置

所构建的基于DFODS的系统的实验配置，该系统结合了Φ-OTDR系统和MZI配置，在图5中进行了示意性说明。具体来说，该系统使用超窄线宽激光作为探测源，其特征为中心波长为1550.12纳米，带宽为3千赫，最大连续输出功率为10毫瓦。来自该激光的连续波光首先通过一个光隔离器（ISO1），然后经历脉冲

结论

本文提出并实验验证了一种改进的PGC解调方案，用于基于DFODS的系统，该系统将Φ-OTDR与MZI传感架构相结合。特别是，在Φ-OTDR接收端实现了MZI结构，使得来自目标光纤段的RBS信号能够在MZI输出端进行高频载波调制和相干干涉。一个关键进展是开发了一种使用SDCD处理方法的PGC解调方法，该

CRediT作者贡献声明

孙振实：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原始草稿，监督，资源，方法论，正式分析。田大忠：可视化，验证，软件，方法论，调查，概念化。杨浩坤：验证，软件，资源，资金获取，正式分析，数据管理。赵成伟：监督，软件，资源，项目管理，方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作部分由国家自然科学基金（62305178）、河南省高等学校重点科研项目（25A510021）、河南省科学技术研究与发展计划（245101610054）、中国博士后科学基金（2025M770841）以及河南省研究生教育改革与质量提升项目（YJS2026YBGZZ57）资助。