分布式应变传感技术新突破：基于φ-OFDR的相位解缠误差抑制方法

作者及发表信息
本研究的核心团队来自华中科技大学光学与电子信息学院及武汉光电国家研究中心，包括第一作者Keyuan Yang、共同作者Jinxin Liu、Changjian Ke（通讯作者）、Zhiyuan Gui、Zikang Xv以及Deming Liu。研究成果发表于2024年4月15日出版的《Journal of Lightwave Technology》（第42卷第8期），标题为《Distributed Strain Sensing with Phase Unwrapping Error Suppression Based on φ-OFDR》。

学术背景与研究目标
分布式光纤应变传感技术因其抗电磁干扰、体积小等优势，在结构健康监测、物联网和三维形状传感等领域应用广泛。然而，现有技术面临测量范围、空间分辨率和响应时间的多重挑战。相位敏感型光频域反射仪（φ-OFDR, phase-sensitive optical frequency domain reflectometer）虽能实现毫米级高空间分辨率，但相位噪声和解缠误差（phase unwrapping error）在大应变条件下会显著降低测量精度。

本研究旨在提出一种基于φ-OFDR的应变解调方法，通过相位预测算法抑制解缠误差，同时补偿由应变累积和激光随机调谐范围引起的位置偏差，最终实现宽测量范围（0–2500 με）、高空间分辨率（1 mm）和快速处理（0.063秒/0.8米）的应变传感。

研究方法与流程
1. 实验系统搭建
- 硬件配置：采用Santec TSL-710可调谐激光源（波长范围1530–1570 nm），主干涉仪为马赫-曾德尔结构，辅以偏振分集抑制偏振衰落噪声。测试光纤（FUT）选用全光栅光纤（AGF, all grating fiber），其光栅密度超过95%，反射率高且相位噪声低。
- 信号处理：通过辅助干涉仪补偿激光调谐非线性和随机调谐范围，数据采集由NI PXIe-5122完成（采样率2 MHz）。

1. 相位解缠误差抑制算法

   • 相位预测：在光栅区域选取4 mm相位数据，通过3阶多项式拟合预测后续0.8 mm的相位（橙色点），与实测相位（蓝色点）对比检测相位跳变（phase hopping）。
     
   • 跳变补偿：将跳变值δφ就近取整至π的倍数（即[δφ/π]·π），并对光栅间隔内的异常值（outliers）进行三次样条插值替换。
     
   • 降噪处理：采用Savitzky-Golay（SG）滤波进一步抑制白噪声。

2. 位置偏差补偿

   • 激光随机调谐范围补偿：通过辅助干涉仪实时获取激光频率信息，校正频率-位置映射关系。
     
   • 应变累积补偿：根据相对相位δϕ(z)计算长度变化δl，并四舍五入至离散采样点偏移量n，最终对相位曲线进行n点平移。

3. 应变解调流程

   • 参考信号（无应变）与测量信号（有应变）经FFT转换至频域，计算相对相位。
     
   • 依次补偿位置偏差、抑制解缠误差，最终通过微分和SG滤波得到应变分布。

主要结果与逻辑关联
1. 相位解缠优化效果
- 在2500 με大应变下，传统统计滤波因相位点分散而失效，而相位预测算法成功将解缠误差的平均均方根误差（RMSE）从56.31 με降至17.32 με（空间分辨率1 mm）。
- 图6(a)显示补偿后相位曲线线性度显著提升，图11(b)证实光栅间隔处的异常值减少。

1. 位置偏差补偿验证

   • 图8(b)显示激光随机调谐引起的位置偏差从数百微米降至微米级。应变累积补偿后（图9(a)），相位跳变进一步减少，但光栅间隔的相位噪声仍需插值处理。

2. 综合性能对比

   • 空间分辨率从0.5 mm至5 mm时，测量误差随分辨率提高而增加（图12(b)），但处理时间稳定在0.063秒（图13），表明算法复杂度与分辨率无关。
     
   • 与现有技术相比，本方案在2500 με大应变下仍保持1 mm分辨率，优于文献[10]（300 με）和[11]（160 με）的测量范围。

结论与价值
1. 科学价值
- 提出的相位预测算法首次实现大应变条件下的解缠误差抑制，且不牺牲空间分辨率。
- 通过联合补偿位置偏差，解决了高分辨率与大应变兼容性的难题。

1. 应用价值
   
   • 适用于桥梁、飞机等结构健康监测，需高精度应变测量的场景。
     
   • 快速处理能力（0.063秒）满足实时监测需求，为物联网和智能传感提供新工具。

研究亮点
1. 创新方法：相位预测算法通过拟合-检测-补偿流程，针对性解决大应变导致的相位跳变问题。
2. 技术突破：在2500 με范围内实现1 mm分辨率，误差仅17.32 με，远超同类研究。
3. 工程适配性：AGF光纤和辅助干涉仪的协同设计，兼顾信噪比与系统稳定性。

其他有价值内容
实验验证了波长调谐范围40 nm时理论最大可测应变达9286 με，为后续扩展测量范围提供了理论依据（图5(b)）。此外，光栅间隔的相位噪声抑制策略（插值+SG滤波）可推广至其他基于OFDR的传感系统。