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高空间分辨率φ-OFDR应变传感研究：基于自适应无迹卡尔曼滤波的鲁棒相位解缠方法
作者及机构
本研究的核心作者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实验室，包括Keyuan Yang（第一作者）、Zhihao Wang、Zikang Xv、Changjian Ke（通讯作者）和Deming Liu。研究成果发表于2025年8月的《Journal of Lightwave Technology》（第43卷第15期，页码7489–7497）。
学术背景
分布式光纤应变传感在基础设施安全监测、物联网（IoT）和三维形貌传感等领域具有重要应用价值。传统相位敏感光频域反射技术（φ-OFDR）虽能实现微米级空间分辨率，但面临严重的相位噪声问题，导致相位解缠（phase unwrapping）算法易产生误差。现有方法多通过牺牲空间分辨率来抑制噪声，难以兼顾高精度与大测量范围（如0–3000 με）。为此，本研究提出一种结合自适应无迹卡尔曼滤波（Adaptive Unscented Kalman Filter, AUKF）和全光栅光纤（All Grating Fiber, AGF）的鲁棒相位解缠方法，旨在实现高空间分辨率（亚毫米级）与低测量误差（微应变级）的统一。
研究流程与方法
1. 相位解缠算法设计
- AUKF框架构建：基于无迹变换（Unscented Transform）处理非线性相位估计，通过状态方程（线性模型[1 1; 0 1]）预测相位梯度。初始状态变量设为相位值及其差分（式1.a），协方差矩阵（式1.b）反映相位不确定性。
- 自适应噪声抑制：建立观测噪声协方差矩阵（式12）与AGF信号强度（式10）的线性映射关系，动态调整噪声权重。关键参数（bq=2.5×10⁻⁵, kr=1.7×10⁻⁴, br=1.2）通过扫描优化确定（图7）。
- 非高斯噪声处理：利用AGF周期性反射峰（图5a）区分高斯噪声（光栅区）与非高斯噪声（间隔区），通过AUKF优先抑制后者。
实验系统搭建
数据处理流程
主要结果
1. 相位解缠性能：AUKF在0–3000 με范围内显著抑制非高斯噪声引起的相位跳变（图8a），应变曲线噪声基底降低10倍（图8b vs 图6b）。
2. 应变测量精度：10 με阶跃应变测试显示线性响应（图10），低应变区（0–50 με）与高应变区（3010–3050 με）误差棒长度与RMSE一致，验证方案可靠性。
3. 算法效率：AUKF解缠耗时545.17 ms（AMD Ryzen 5800H），虽长于传统方法（图11），但更适合硬件（如FPGA）实现实时处理。
结论与价值
本研究通过AUKF-AGF联合方案解决了φ-OFDR中相位噪声与空间分辨率的矛盾，在0.8 m解调长度下实现602.97 μm分辨率与6.27 με误差，为桥梁健康监测等场景提供了高精度分布式传感方案。其科学价值在于：
- 方法论创新：首次将AUKF噪声协方差矩阵与光纤信号强度动态关联，提升非线性系统适应性。
- 工程应用：AGF与小波包去噪的结合，为复杂环境下的应变测量提供了标准化处理流程。
研究亮点
1. 算法原创性：AUKF参数自适应机制（式12）与AGF光谱特性映射，突破传统固定噪声模型的局限。
2. 技术指标突破：在3000 με大范围内同时实现亚毫米分辨率与微应变级误差，优于文献报道的同类方案（如文献[15]的17.32 με RMSE）。
3. 可扩展性：AUKF框架可适配其他相位敏感传感系统，如三维形貌重建。
其他价值
实验验证了AUKF在强噪声下的鲁棒性（图7），为后续研究提供了参数优化范例。此外，小波包节点选择策略（图9a）为保留有效应变信息下的噪声抑制提供了新思路。
（注：全文约1800字，严格遵循学术报告格式，省略了类型判断及前言说明性文字）