Light | 频梳相关光谱反射仪

分布式光纤声波传感技术利用光纤本身作为传感介质，通过探测背向瑞利散射光来实现对光纤沿线的实时分布式振动监测。凭借光纤介质优异的长距离覆盖和抗电磁干扰特性，该技术在地球物理勘探与灾害预警、重大基础设施安全保障等领域逐步展现出不可替代的价值。

光谱分析和相位解调是实现对外界扰动定量探测的两条主流技术路线，然而现有技术不可避免地存在测量速度和动态应变测量范围之间的权衡。光谱分析方法依赖耗时的逐频扫描过程以获取宽带光谱信息，测量速度缓慢，难以捕捉高频扰动；相位解调方法则受制于相位累积恢复过程的回转速率，应变测量范围小，难以满足复杂工程应用需求。因此，如何在保持高灵敏度的同时，实现高速、宽动态范围的分布式光纤振动探测，已成为该领域亟待解决的关键难题。

面对以上矛盾，研究团队创新性提出频梳相关光谱反射仪分布式光纤声波传感技术。光频梳是由数字域生成的一系列等间隔、相干性良好的离散谱线组成，这为传感系统的宽带瑞利光谱解调提供了一种兼顾超高精度和灵活可调优势的解决方案。依据瑞利散射理论模型和奈奎斯特采样定理，研究团队引入频梳探测光替代传统单频光源，提出了频率交织的双边带光频梳配置方案（图1），利用频梳探测光对光纤本征的瑞利散射光谱进行并行采集，使系统的有效采样率不再受探测频率数量限制，由此突破了探测速度和动态应变测量范围难以兼得的关键瓶颈，使光谱测量从串行迈向并行，从根本上颠覆了传统逐频扫描的工作机制，系统的动态响应能力相比传统逐频扫描探测技术路径实现了数量级的跨越。

图1：频率交织的双边带光频梳配置方案原理图

图2所示为频梳相关光谱反射仪实验系统图。由于所用探测光为频梳信号，单次测量即可获得宽带的瑞利散射光谱，如图3（a）所示，将测量光谱依次与参考光谱做互相关运算，即可实现宽带、超高灵敏度的动态应变测量，如图3（b）所示。由于频梳相关光谱反射仪的信号解调不依赖相邻采样点间的信号连续性，动态应变测量范围只由频梳的调制带宽决定，不受相位累积恢复过程的回转速率限制，相同参数条件下的高频应变测量范围比传统相位解调方案至少提升了一个数量级。

图2：频梳相关光谱反射仪实验系统图

图3： (a) 瑞利散射光谱随时间变化过程；(b) 光谱互相关结果随时间变化过程

研究团队还进一步研究了该方案对高频振动信号的探测能力（图4）。基于一个频梳序列重频为50kHz的传感系统，实现了对接近奈奎斯特采样频率（25KHz）的24kHz高频振动信号的探测，如图4所示，相比同样带宽和频率分辨率条件下的传统光谱分析方案频响极限高出一个数量级。此外，实测结果在接近系统25kHz奈奎斯特采样频率极限的同时，还将系统的噪声基底抑制在11.4pε/√Hz水平，在频率响应和探测灵敏度两方面同时具备突出表现，其综合性能显著优于既有的光谱分析方案。

图4：(a) 振动区域应变解调结果；(b) 振动信号解调时域波形；(c) 振动信号解调结果PSD谱

本研究提出的频梳相关光谱反射仪（OFC-SCR）同时具备高速率、大范围、高精度与强鲁棒性等突出优势，显著拓展了分布式光纤声波传感的性能边界。团队提出的“频梳并行探测+谱间相关解码”测量思想是一种具有普适性的光谱传感机制，有望带来光纤传感领域的一次范式革新，攻克传统逐频扫描传感系统的顽疾。展望未来，随着光频梳器件与数字信号处理的进一步发展，该技术有望在地球物理勘探、地质灾害预警、重大基础设施安全保障等关键领域实现规模化应用，并推动分布式光纤传感向更高灵敏度、更广覆盖范围及更强环境适应性的方向迈进。

Lin, Z., Zhao, Z., He, H. et al. Frequency-comb enabled spectrum-correlation reflectometry for distributed fiber-optic sensing. Light Sci Appl 15, 11 (2026).

https://doi.org/10.1038/s41377-025-02080-w