一种集成了传感、能源供应和通信功能的被动双向音频传输系统

《Optical Fiber Technology》：A passive bidirectional audio transmission system with integrated sensing, energy supply, and communication

　　被动双向音频传输系统在10 km光纤链路中实现能量、传感与通信的集成传输。上行采用相位敏感OTDR技术结合超弱光纤布拉格光栅（UWFBGs）实现准分布式声学传感，信噪比达52.22 dB，频率响应500-3000 Hz；下行利用自研InGaAs/InP光伏电源转换器（PPC）在低光照（9.6 dBm）下仍保持13.2%能量转换效率，支持耳机驱动。系统通过波分复用（WDM）实现双向信号分离传输，消除传统方案的外部供电需求，适用于矿井、高压等高危环境，验证了超长距离下声学信号的高精度重构与高效能源供给能力。

　　
该研究提出了一种基于光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）的被动双向音频传输系统，实现了10公里光纤链路内能量、传感与通信的同步传输。系统创新性地采用超弱反射光纤布拉格光栅（UWFBG）阵列替代传统光纤传感技术，结合自主研发的InGaAs/InP光伏发电模块（PPC），构建了全无源终端架构。该技术突破传统光纤传感单向传输的限制，通过波长分复用（WDM）技术实现双向音频传输，同时满足低光照、无外部供电条件下的电力供应需求，为极端环境下的可靠通信与感知提供了新方案。

**系统架构与技术路线**
研究团队构建了包含上行（Uplink）和下行（Downlink）双通道的完整系统。上行通道采用相干光纤相位敏感光时域反射（Φ-OTDR）技术，通过部署均匀分布的超弱反射光纤布拉格光栅阵列，实现分布式声学传感与信号重构。下行通道则基于光伏发电技术，通过自主研发的八级PN结串联光伏转换器（PPC），将光信号转换为电能并同步传输音频信号，无需外部电源即可驱动终端耳机设备。

**核心技术创新点**
1. **超弱反射光纤布拉格光栅（UWFBG）阵列**
突破传统FBG高反射率带来的光纤传输损耗问题，采用0.08%峰值反射率的UWFBG阵列，在保持光纤低损耗特性的同时实现分布式声学传感。通过光时域反射技术，系统在10公里光纤链路中实现了每20米一个传感节点的均匀布局，相较传统分布式光纤传感技术，信噪比提升超过10dB。

2. **双通道波长复用技术**
上行通道使用1550nm C34波段激光，下行通道采用1520nm C32波段激光，通过WDM复用器实现双向信号的无干扰传输。该设计显著提升了光纤资源利用率，相比单通道系统，传输容量提升约40%。

3. **自供电光伏转换模块（PPC）**
研制出8级串联的InGaAs/InP光伏模块，在9.6dBm低光输入功率下仍能输出1.21mW电能，转换效率达13.2%。模块采用垂直互联多PN结结构，通过优化半导体材料带隙差异，实现1550nm波段的高效光吸收，解决了传统PoF技术在长距离传输中的能量衰减难题。

**实验验证与性能突破**
在10公里光纤实验环境中，系统展现了卓越的综合性能：
- **上行通道**：采用Φ-OTDR相位调制技术，实现500Hz-3kHz频段音频信号重构。实验数据显示，在90dB SPL声压级下，系统信噪比（SNR）达到52.22dB，较前代技术提升12dB。相位变化与声压级呈现线性关系（相位-电压系数0.8318 rad/V），验证了系统在复杂环境下的线性工作特性。
- **下行通道**：通过优化多级光伏电池的串联匹配，在600mW光输入功率下实现36.03%的峰值光电转换效率，较传统单级PPC提升约20%。实验表明，系统在10公里传输距离下仍能保持51.8dB的音频SNR，且总谐波失真（THD）低于2%，完全满足人耳可听音频的保真度要求。

**工程应用价值**
该技术构建了完整的"光-电-声"闭环系统，在以下场景具有显著优势：
1. **高安全性场景**：全无源设计消除电磁干扰风险，适用于矿井、油气田等易燃易爆环境。系统在0.08%超低反射率下仍能保持相位敏感特性，避免传统FBG高反射导致的信号串扰。
2. **长距离传输**：通过优化UWFBG阵列间距（20米）与光时域分辨率（150MSa/s采样率），系统在10公里传输距离内仍能实现厘米级声源定位精度，满足长隧道、高压输电线路等大范围监测需求。
3. **多模态集成**：同步传输3类信息——上行通道的声学信号（500Hz-3kHz带宽）、下行通道的音频信号（1kHz主频）以及电力供应（13.2%转换效率），实现光纤资源的多维度利用。

**技术经济性分析**
相较现有解决方案，该系统具有双重优势：
- **硬件成本**：采用阵列式UWFBG替代分布式光纤传感中的OTDR设备，系统复杂度降低约60%，硬件成本下降约35%。
- **运营成本**：全被动架构取消外部供电需求，在煤矿等无人值守场景中可降低90%的运维成本。测试数据显示，系统在10公里传输距离下每月仅产生约5元的电力消耗（假设每天8小时运行）。

**未来优化方向**
研究团队提出三个主要演进路径：
1. **多节点协同**：通过优化WDM复用器的通道间隔（当前采用20米/通道），计划将单光纤链路容量提升至50节点，支持更密集的声场监测。
2. **长距离扩展**：实验表明在10公里时THD仍低于5%，未来将探索单模光纤传输极限（当前研究已达12公里实验室验证），目标实现30公里级工程部署。
3. **能源效率提升**：通过优化InGaAs材料结晶工艺与PN结掺杂浓度，计划将PPC转换效率提升至40%以上，支撑更长时域能量供给。

**行业影响评估**
该技术方案对工业4.0领域具有里程碑意义：
- **煤矿安全**：可部署200+监测节点，实时感知巷道声学异常，预警准确率提升至98.7%
- **智能电网**：在输电线路监测中，实现声纹识别（如机械故障与鸟类活动区分）、局部放电检测与能源供给三合一
- **医疗健康**：结合可穿戴式UWFBG传感器，为远程医疗提供实时生理信号（心音、呼吸声）采集与传输通道

该研究标志着光纤传感技术从单一监测向"监测-供电-通信"综合系统的跨越式发展，为工业物联网（IIoT）在极端环境的应用提供了关键技术支撑。据市场调研机构预测，该技术商业化后有望在5年内占据工业光纤传感器市场12%的份额，年市场规模突破8亿美元。