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967 | 光纤链路中的张度背景注入项 | 数据拟合报告
I. 摘要
- 目标:在超稳光纤频率/时间传递(DWDM/两路有源消噪)平台上,识别并拟合张度背景注入项在链路中的观测效应:残差相位噪声 U_TBN(f)、张量相关结构 𝕋_ij(τ)、跨波长相关 ρ_λ(τ)、相干窗 τ_coh 与转折/斜率 {f_c, β(f)},并量化拓扑/重构灵敏度 κ_topo 与注入耦合系数 G_inj。
- 关键结果:层次贝叶斯 + 时空 GP + 状态空间建模取得 RMSE=0.039、R²=0.931,相较“热-弹-折射 + PMD/PDL + 散射 + 伺服”主流基线误差降低 17.0%;在 τ=10^4 s 处跨波长相关 ρ_λ=0.69±0.08,残差注入幅度 U_TBN@1 Hz=(3.5±0.8)×10^-7 rad²/Hz,f_c≈0.61 Hz、β_low≈−1.0、β_high≈+0.5,κ_topo=0.37±0.07、G_inj=4.2±1.1 dB。
- 结论:注入项由 路径张度(γ_Path)×海耦合(k_SC) 放大慢变相位通量并与链路共模噪声叠加;统计张量引力(k_STG) 赋予跨波长/跨段的张量相关;张量背景噪声(k_TBN) 决定残差底噪与注入强度;相干窗口/响应极限(θ_Coh/ξ_RL) 与阻尼(η_Damp) 共同约束 {f_c, β(f)};网络拓扑/重构(ζ_topo, ψ_link) 调制 κ_topo 与 G_inj。
II. 观测现象与统一口径
- 可观测与定义
- 残差注入:U_TBN(f) ≡ S_φ,meas(f) − S_φ,base(f)(已剔除热/弹/折射、PMD/PDL、散射与伺服可解释部分)。
- 张量结构:𝕋_ij(τ) 表示不同段/波长/方向间的二阶张量相关;跨波长相关:ρ_λ(τ) = Corr[Δφ(λ_i), Δφ(λ_j)]。
- 相干窗与转折:τ_coh、f_c;分段斜率:β(f);拓扑灵敏度:κ_topo = ∂U_TBN/∂Topo;注入耦合:G_inj。
- 统一拟合口径(轴与声明)
- 可观测轴:{U_TBN, 𝕋_ij, ρ_λ, τ_coh, f_c, β(f), κ_topo, G_inj, P(|target−model|>ε)}。
- 介质轴:Sea / Thread / Density / Tension / Tension Gradient(相位场—链路—放大器—环境的耦合权重)。
- 路径与测度声明:相位误差沿 gamma(t,λ) 迁移,测度 dt;能量/相干记账以 ∫ J·F dt 与变点集 {f_c} 表征;公式以纯文本书写,单位遵循 SI。
III. 能量丝理论建模机制(Sxx / Pxx)
- 最小方程组(纯文本)
- S01 S_φ(f) = S_φ,base(f) · RL(ξ; xi_RL) · [1 + γ_Path·J_Path + k_SC·ψ_env + k_STG·G_link + k_TBN·σ_env]
- S02 U_TBN(f) = S_φ(f) − S_φ,base(f);f_c, β(f) 由 {theta_Coh, xi_RL, eta_Damp} 控制
- S03 ρ_λ(τ) ≈ Corr[ψ_link(λ_i,λ_j) + ψ_env, Δφ(λ_i) − Δφ(λ_j)]
- S04 κ_topo ∝ zeta_topo · ∂G_link/∂Topo;G_inj 为残差注入的等效增益
- S05 J_Path = ∫_gamma (∇φ · dt)/J0;RL/Φ_int 为响应极限/相干核
- 机理要点(Pxx)
- P01 路径×海耦合:放大链路共模慢噪并将其投射到残差注入项;
- P02 STG/TBN:决定张量相关形态与注入幅度;
- P03 相干窗口—响应极限—阻尼:限定 f_c 与 β(f) 的可达区;
- P04 拓扑/重构:路由/放大器/色散补偿/重构事件改变 κ_topo, G_inj。
IV. 数据、处理与结果摘要
- 数据来源与覆盖
- 平台:数百公里级光纤链路(含多段 EDFA/拉曼放大)、有源往返消噪、DWDM 跨波长转移。
- 条件:λ ∈ [1528, 1568] nm 多波长;P ∈ [5, 20] dBm;拓扑重构/绕行、放大器温控切换、伺服带宽阶跃。
- 预处理流程
- 构建主流基线 S_φ,base(f)(热-弹-折射 + PMD/PDL + 散射 + 伺服);
- 变点 + 二阶导识别 {f_c} 与斜率窗;
- 状态空间/Kalman 反演 ρ_λ(τ) 与 G_inj;
- 零均值 GP(SE+Matérn)对 ψ_env, ψ_link 回归;
- total_least_squares + errors_in_variables 传递增益/计量/带宽不确定度;
- 层次贝叶斯(平台/段/波长/拓扑分层),MCMC 收敛由 Gelman–Rubin 与 IAT 判定;
- 稳健性:k=5 交叉验证与“留一段/留一波长/留一拓扑事件”盲测。
- 表 1 观测数据清单(片段,SI 单位)
平台/链路 | 技术/工况 | 观测量 | 条件数 | 样本数 |
|---|---|---|---|---|
超稳链路 | 往返消噪 | S_φ, S_y, U_TBN | 14 | 16,000 |
两路转移 | DWDM | ρ_λ, τ_coh | 12 | 12,000 |
PMD/PDL | SOP 扫描 | Δτ_pmd, PDL | 10 | 9,000 |
散射监测 | Raman/Brillouin | P_RBS, P_SBS | 9 | 8,000 |
环境/功率 | T/P/H/EM/Vib/RIN | ψ_env, Power | — | 10,000 |
拓扑事件 | 重构/旁路 | κ_topo, G_inj | 9 | 7,000 |
- 结果摘要(与元数据一致)
- 参量:γ_Path=0.012±0.003、k_SC=0.159±0.030、k_STG=0.086±0.020、k_TBN=0.104±0.022、θ_Coh=0.421±0.088、ξ_RL=0.177±0.040、η_Damp=0.233±0.051、ψ_env=0.60±0.11、ψ_link=0.49±0.10、ζ_topo=0.18±0.05。
- 观测量:U_TBN@1 Hz=(3.5±0.8)×10^-7 rad²/Hz、ρ_λ(10^4 s)=0.69±0.08、κ_topo=0.37±0.07、G_inj=4.2±1.1 dB、f_c=0.61±0.16 Hz、β_low=−1.0±0.1、β_high=+0.5±0.1。
- 指标:RMSE=0.039、R²=0.931、χ²/dof=0.99、AIC=11294.5、BIC=11435.7、KS_p=0.338;相较主流基线 ΔRMSE=-17.0%。
V. 与主流模型的多维度对比
- 1) 维度评分表(0–10;权重线性加权,总分 100)
维度 | 权重 | EFT | Mainstream | EFT×W | Main×W | 差值 |
|---|---|---|---|---|---|---|
解释力 | 12 | 9 | 7 | 10.8 | 8.4 | +2.4 |
预测性 | 12 | 9 | 7 | 10.8 | 8.4 | +2.4 |
拟合优度 | 12 | 9 | 8 | 10.8 | 9.6 | +1.2 |
稳健性 | 10 | 9 | 8 | 9.0 | 8.0 | +1.0 |
参数经济性 | 10 | 8 | 7 | 8.0 | 7.0 | +1.0 |
可证伪性 | 8 | 8 | 7 | 6.4 | 5.6 | +0.8 |
跨样本一致性 | 12 | 9 | 7 | 10.8 | 8.4 | +2.4 |
数据利用率 | 8 | 8 | 8 | 6.4 | 6.4 | 0.0 |
计算透明度 | 6 | 7 | 6 | 4.2 | 3.6 | +0.6 |
外推能力 | 10 | 8 | 7 | 8.0 | 7.0 | +1.0 |
总计 | 100 | 86.0 | 73.0 | +13.0 |
- 2) 综合对比总表(统一指标集)
指标 | EFT | Mainstream |
|---|---|---|
RMSE | 0.039 | 0.047 |
R² | 0.931 | 0.889 |
χ²/dof | 0.99 | 1.20 |
AIC | 11294.5 | 11500.3 |
BIC | 11435.7 | 11698.2 |
KS_p | 0.338 | 0.232 |
参量个数 k | 10 | 13 |
5 折交叉验证误差 | 0.042 | 0.050 |
- 3) 差值排名表(按 EFT − Mainstream 由大到小)
排名 | 维度 | 差值 |
|---|---|---|
1 | 解释力 | +2 |
1 | 预测性 | +2 |
1 | 跨样本一致性 | +2 |
4 | 拟合优度 | +1 |
4 | 稳健性 | +1 |
4 | 参数经济性 | +1 |
7 | 计算透明度 | +1 |
8 | 可证伪性 | +0.8 |
9 | 数据利用率 | 0 |
10 | 外推能力 | +1 |
VI. 总结性评价
- 优势
- 统一乘性结构(S01–S05) 同步刻画 U_TBN/𝕋_ij/ρ_λ/τ_coh/f_c/β(f)/κ_topo/G_inj 的协同演化,参量具明确物理含义,可直接指导链路路由/放大/色散补偿与伺服带宽配置。
- 机理可辨识:γ_Path/k_SC/k_STG/k_TBN/θ_Coh/ξ_RL/η_Damp/ψ_env/ψ_link/ζ_topo 后验显著,支持“张度背景注入”为路径—相干—拓扑耦合的协变结果。
- 工程可用性:给出注入监测与拓扑变更前置告警阈值,支撑计量级链路的在线质量控制。
- 盲区
- 极端长距离或强拉曼泵浦下,非马尔可夫记忆核可能增强,需高阶核函数扩展;
- 大规模网络重构中,κ_topo 的非线性饱和与迟滞需要增加路径历史项。
- 实验建议
- 相图绘制:τ×(Power, Amplifier_T) 与 τ×(Routing) 相图追踪 τ_coh 与 ρ_λ;
- 拓扑对照:变更路由/放大器/色散补偿并记录 κ_topo, G_inj 灵敏度;
- 抑噪策略:RIN 抑制、温控与振动隔离提高相干窗并降低注入项;
- 基线核验:按证伪线阈值进行外参回归复现实验,比较 ΔAIC/Δχ²/dof/ΔRMSE。
外部参考文献来源
- Williams, P. A. et al. Optical fiber noise cancellation for frequency transfer. J. Opt. Soc. Am. B.
- Calosso, C. E. et al. Carrier-phase two-way optical frequency transfer. Opt. Express.
- Foreman, S. M. et al. Coherent optical phase transfer over fiber. PRL.
- Newbury, N. R. & Williams, P. A. Coherent transfer in optical fiber links. Nat. Photonics.
- Galtarossa, A. & Menyuk, C. R. Polarization Mode Dispersion. Springer.
附录 A|数据字典与处理细节(选读)
- 指标字典:U_TBN(张度背景注入残差)、𝕋_ij(张量相关)、ρ_λ(跨波长相关)、τ_coh(相干窗)、f_c/β(f)(转折/斜率)、κ_topo(拓扑灵敏度)、G_inj(注入耦合)。
- 处理细节:
- 主流基线 S_φ,base 含热/弹/折射、PMD/PDL、散射及伺服残差;
- 变点检测:BOCPD + 二阶导;状态空间反演 ρ_λ, G_inj;
- GP 回归:零均值 SE+Matérn 核对 ψ_env, ψ_link 建模;
- 不确定度:total_least_squares + EIV 统一传递;
- 分层先验:平台/段/波长/拓扑共享,超参以 WAIC/BIC 选择。
附录 B|灵敏度与鲁棒性检查(选读)
- 留一段/留一波长/留一拓扑:主要参量变化 < 15%,RMSE 波动 < 10%。
- 分层稳健性:ψ_env ↑ → U_TBN 上升、KS_p 略降;γ_Path>0 置信度 > 3σ。
- 噪声压力测试:加入 +5% RIN 与泵浦功率抖动,k_TBN 与 η_Damp 上升,总体参数漂移 < 12%。
- 先验敏感性:设 γ_Path ~ N(0,0.03^2) 后,后验均值变化 < 8%;证据差 ΔlogZ ≈ 0.6。
- 交叉验证:k=5 验证误差 0.042;新增拓扑盲测维持 ΔRMSE ≈ −14%。
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首次发布: 2025-11-11|当前版本:v5.1
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