基于OFDR的全尺度分布式应变传感技术：通过抑制残余相位噪声提升测量精度
作者及机构
本研究的通讯作者为Jun Yang（广东工业大学信息工程学院先进光子技术研究所），合作团队包括Cuofu Lin、Mingye Fu、Zhangjun Yu、Yuncai Wang及Yuwen Qin等来自同一机构的学者。研究发表于Optics Letters第50卷第5期（2025年3月1日），标题为《Full-scale OFDR-based distributed strain sensing with enhanced measurement accuracy》。
学术背景
研究领域与动机
光学频域反射技术（Optical Frequency Domain Reflectometry, OFDR）自1998年由Froggatt提出以来，因其毫米级空间分辨率和微应变（µε）级精度，在电池监测、小型结构健康监测等领域广泛应用。然而，传统OFDR系统受限于可调谐激光源（TLS）的扫频非线性和相位噪声，难以在百米级全尺度距离内维持高精度。尤其在大规模裂缝监测（如航天器表面形变传感）中，残余相位噪声（Residual Phase Noise, RPN）成为限制应变精度的关键因素。
科学问题
现有提升精度的方法（如图像去噪算法、激光线宽压缩等）存在数据处理负担大或硬件成本高的问题。本研究提出通过定量分析RPN与干涉仪延迟的数学关系，设计动态延迟光纤模块（OPEM），在硬件层面抑制RPN，实现全尺度距离内的高精度应变传感。
研究流程与方法
1. RPN定量建模与延迟优化
- 理论推导：基于维纳过程建立RPN方差（(D_{RPN})）与干涉仪延迟（(τ_m)、(τ_r)）的解析表达式，揭示其与光纤长度（(l_f)）和延迟光纤长度（(l_d)）的非线性关系（公式2）。
- 关键发现：当测量距离为(l_{fmax})时，最优延迟光纤长度应满足(ld = (2\sqrt{2}-2)l{fmax})（公式3），此时RPN方差最小化。
2. 动态延迟光纤模块（OPEM）设计
- 硬件创新：OPEM通过5位二进制指令控制光学开关，动态选择0.5~116.25 m范围内的延迟光纤（步进3.25 m），以匹配不同测量距离需求。
- 实验验证：在101 m传感光纤（FUT）上，对比83.5 m（理论最优）、69 m和102.25 m延迟光纤的应变精度。结果显示，83.5 m延迟下最差精度为3.1 µε，显著优于其他配置（4.9 µε和6.0 µε）。
3. 分段测量与噪声抑制
- 分段策略：将FUT划分为多个子区间，每个区间匹配独立优化的延迟光纤长度（如24 m、32 m等），使RPN接近光学散粒噪声的理论极限（1 µε）。
- 数据拼接算法：通过欧氏距离评估相邻区间的应变相似性，在重叠区域（±10倍空间分辨率）进行平滑过渡，确保全尺度数据的连续性（图5e）。
4. 实验验证与性能测试
- 系统配置：采用Santec TSL-570激光器（线宽100 kHz，扫频范围1483~1637 nm），空间分辨率2 mm。
- 结果：分段测量后，101 m范围内应变精度达1.5 µε（2σ），1 mm分辨率下精度为4.2 µε（图5c-d）。
主要结果与逻辑链条
- 理论验证：公式3的优化关系通过实验数据（图3d）得到证实，83.5 m延迟光纤的精度最优性支持了RPN模型的正确性。
- 硬件效能：OPEM的动态调节能力使系统适应不同测量场景，无需拆卸即可优化RPN分布。
- 分段优势：通过24 m延迟光纤对29 m FUT的测试，应变精度接近散粒噪声极限（1.2 µε），验证了分段方法的有效性。
结论与价值
科学价值
- 首次建立RPN与干涉仪延迟的定量关系，为OFDR系统设计提供理论依据。
- 提出硬件级RPN抑制方案，避免传统算法处理的时间开销，实现“实时性”与“高精度”的平衡。
应用价值
- 在航天器形变监测、大型基础设施健康诊断等需长距离高精度场景中具有直接应用潜力。
- OPEM模块的通用性可扩展至其他分布式光纤传感系统。
研究亮点
- 创新方法：通过动态延迟光纤硬件抑制RPN，替代传统软件降噪，效率提升显著。
- 性能突破：全尺度101 m范围内1.5 µε精度（2 mm分辨率）为当前领域最高水平（对比表2中2024年ICA算法的5.45 µε）。
- 理论-实验闭环：从数学建模到硬件设计，形成完整的技术链条。
其他价值
- 数据可用性：研究数据可通过作者申请获取，支持后续研究复现。
- 资助与专利：受国家重点研发计划（2022YFB3205200）等资助，无利益冲突声明。
本研究为OFDR仪器化技术发展提供了重要参考，尤其在硬件优化与实时监测领域树立了新标杆。