关于“长距离静态与动态应变测量：采用相位噪声补偿OFDR技术”的学术研究报告

本文旨在向国内研究人员介绍一篇发表于《Journal of Lightwave Technology》期刊的最新研究成果。该研究由来自日本岛根大学和鹿岛建设株式会社技术研究所的研究团队完成，并于2024年9月15日正式刊发。论文题为“Long Range Static and Dynamic Strain Measurement by Using Phase-Noise-Compensated OFDR”，作者包括Ryota Ogu、谷村大樹、张超（IEEE会员）、伊藤文彦（IEEE会员）、吉村祐一、青鹿博之及今井道夫。本研究聚焦于分布式光纤传感领域，提出并验证了一种革命性的长距离、高空间分辨率应变测量技术，对于大型结构健康监测具有里程碑式的意义。

一、 研究背景与目标 分布式光纤传感技术因其能够实现长距离、连续空间的应变与温度测量，已成为结构健康监测领域的关键技术。其中，基于瑞利散射光谱分析的OFDR技术因其极高的空间分辨率而备受关注。然而，传统OFDR技术的测量距离受限于激光光源的相干长度。当使用高速、宽带波长扫描激光器以实现大应变范围和高分辨率测量时，激光器的瞬时线宽通常较宽，导致相干长度仅有数十米。超过此范围，瑞利散射光谱在不同测量之间的相关性会因相干度下降而丧失，使得应变测量失效。尽管已有商用OFDR系统声称可实现2公里测量，或研究报道了约800米的应变测量，但整个测量距离上瑞利光谱的高相关性——这是实际应用的基础——并未得到充分验证。此外，对于动态应变测量，传统方法需要通过事先在静止状态下测量参考光谱来校准，这在已安装光纤的实际工程中往往不切实际。

因此，本研究旨在解决两大核心挑战：1）突破激光相干长度的限制，实现超长距离（公里级）且全链路保持高光谱相关性的静态应变测量；2）发展一种无需事先静态参考光谱的动态应变高速测量方法。研究目标包括：验证相位噪声补偿OFDR技术将有效测量距离扩展百倍以上的能力；在1.5公里光纤末端实现高达1000微应变（με）的静态应变测量；以及开发新的数据处理算法，实现超过200米距离、高达200赫兹频率的动态应变监测。

二、 研究流程与方法详述 本研究包含静态应变测量和动态应变测量两大实验部分，均基于相位噪声补偿OFDR核心架构，但在光源、信号处理和数据算法上有所区别。

1. 实验系统搭建 研究采用的OFDR系统配置如图1所示。系统核心包括波长扫描激光源、主干涉光路、参考干涉仪以及信号采集与处理单元。值得注意的是，针对静态和动态测量，研究团队使用了两种不同类型的波长扫描激光器：静态测量采用低速扫描激光器，动态测量则采用基于MEMS利特曼结构的高速扫描激光器。两者的瞬时相干长度均估计约为100米，这恰恰是传统OFDR的瓶颈所在。

在静态应变测量中，激光以5赫兹频率正弦扫描，扫描范围达35纳米（4.375太赫兹）。激光输出经掺铒光纤放大器放大后，99.9%的光进入主干涉仪照射待测光纤，0.1%的光进入参考干涉仪。参考干涉仪中的延迟光纤长约27.5米，产生137.5纳秒的延迟信号，此信号用于后续PNC处理。待测光纤为长约1.5公里的标准单模光纤。瑞利背向散射光通过偏振分集光学混频器接收，以消除偏振变化的影响。拍频信号由宽带光电探测器接收，并由数字示波器以3.125 GS/s的采样率采集。

动态应变测量的激光扫描频率为150赫兹，扫描范围15纳米（1.875太赫兹）。为了提升采样率，触发速率提升至600赫兹，从而在单个波长扫描周期内采集4个子波段信号。

2. 核心技术：相位噪声补偿 本研究成功应用的关键在于PNC-OFDR技术。该技术的原理在论文中进行了简要阐述。传统OFDR使用一个参考干涉仪来补偿波长扫描非线性和相位噪声，但其完美补偿点仅在于与参考延迟长度相等的位置。当测量点偏离该最佳位置超过相干长度的一半时，补偿效果和光谱相关性都会急剧下降。

PNC-OFDR同样使用单个参考干涉仪，但其参考延迟τ_ref设置为约等于激光相干时间τ_c的一半。当待测光纤的延迟τ_fut超过τ_c/(2n)时（n为整数），系统会切换参考信号，采用一种新生成的数值参考信号φ_n(t)。该信号通过将原始参考信号的相位进行递推求和得到（公式1），其物理意义对应于n倍原始参考延迟处的相位噪声（公式2）。通过这种方式，PNC-OFDR能够在整个光纤长度上，分段使用最优的数值参考信号进行补偿，从而将有效补偿和相关保持的距离扩展了上百倍。在本实验中，在1.5公里末端处，使用了第109个数值参考信号进行补偿。

3. 动态测量新算法：子波段分解与统计处理 为实现无需事先静态参考光谱的动态应变测量，研究团队提出了一种创新的子波段分解与统计处理方案。具体流程如下： * 子波段划分：将一个完整的波长扫描周期（对应一次完整的光谱测量）在时间上划分为K个区间（本实验中K=4）。每个区间对应一个瑞利散射子光谱，记为R_m^(n)，其中m为周期序号，n为子波段序号（1到4）。 * 相对应变计算：以第一个测量周期（m=1）获得的子光谱R_1^(n)作为初始参考，计算后续每个周期中相同序号子光谱R_m^(n)与R_1^(n)的互相关，得到相对应变δε_m^(n)。由于不同子波段（n不同）的光谱之间无相关性，因此不能直接进行跨子波段的相关计算。 * 初始应变估计与校正：上述方法存在一个问题：如果在第一次测量（m=1）的四个子波段采集期间，光纤已经承受了未知的动态应变，那么以R_1^(n)为参考计算出的各子波段应变将存在一个固定的偏移量，导致不同子波段的结果无法连贯衔接。为解决此问题，作者引入了统计处理。首先，对大量测量数据（m从2到M），计算每个子波段n的相对应变平均值ε^(n)（公式3）。理论上，在足够多的测量中，施加在各子波段上的平均应变应趋于一致。因此，每个子波段在第一次测量（m=1）时隐含的应变偏移ε_1^(n)可以通过ε_1^(n) = -ε^(n)来估计（公式4）。最后，将所有测量到的相对应变δε_m^(n)加上对应的校正值ε_1^(n)，即可得到连贯、一致的动态应变时间序列。此方法巧妙地利用统计平均特性，消除了对“纯净”静态参考光谱的依赖。

4. 实验对象与处理 * 静态应变测量：使用长约1.5公里的FUT。在距离末端约40厘米处（约1500米位置），使用一个带有V型槽的拉伸装置对光纤施加静态应变。应变从0 με逐步增加至1000 με，步长为200 με。空间分辨率设置为10厘米。 * 动态应变测量：使用长约220米的FUT。在距离末端约30厘米处（约210米位置）固定一段30厘米长的光纤段，其一端连接压电陶瓷促动器，用于施加正弦振动。实验施加了三种工况：40赫兹/130 με、100赫兹/60 με和200赫兹/25 με的动态应变。空间分辨率设置为5厘米。

三、 主要研究结果详述 1. 瑞利光谱相关性验证 研究首先对比了传统OFDR与PNC-OFDR在长距离上保持瑞利散射光谱相关性的能力。结果显示（图3）： * 传统OFDR的瑞利光谱互相关系数随距离增加急剧下降，在超过几十米后便降至低水平，意味着无法进行有效的应变传感。 * PNC-OFDR在整个超过1.5公里的FUT上，始终保持了较高的互相关系数（大部分高于0.7）。图中插图显示，在345米、705米、1050米和1460米附近，系统分别切换使用了第25、51、76和106个数值参考信号进行补偿。红垂直线标示了参考信号切换点，该点为中心补偿最佳点。尽管在远离最佳点的区域相关性略有下降，但仍足以支持应变测量。在500米处出现的相关性低谷被归因于光纤接续点的影响。这一结果直接证实了PNC技术将有效相关距离扩展了100倍以上（在本实验中达到109倍）。

2. 长距离静态应变测量结果 基于上述高相关性，研究人员进行了静态应变测量（图5）。 * 传统OFDR完全无法检测到应变（图5a）。 * PNC-OFDR成功地在1.5公里末端的40厘米拉伸段内，清晰检测出了从0到1000 με的应变阶跃（图5b）。测量得到的应变值与通过微位移台计算的预期值总体趋势一致，尽管实测值略小于预期值。作者认为，这可能是由于拉伸装置固定方式导致的应变传递效率问题，而非传感系统本身缺陷。在1512米附近应变检测不稳定，也被归因于固定方式。

3. 动态应变测量结果 动态应变测量结果验证了新提出的数据处理算法的有效性（图7，图8）。 * 40赫兹工况验证算法有效性（图7）： * 传统OFDR再次失败（图7a）。 * 仅使用PNC和子波段分解，但未进行统计校正时，结果虽然周期与预期相符，但波形严重偏离正弦波（图7b）。这正体现了初始参考光谱包含未知应变导致各子波段数据不连贯的问题。 * 应用了统计校正算法的PNC-OFDR结果（图7c），则呈现出了清晰、连贯的正弦波形，有力证明了所提方法的正确性。 * 100赫兹与200赫兹工况结果（图8）： * 对于100赫兹/60 με（图8a）和200赫兹/25 με（图8b）的振动，研究均成功观测到了与距离和时间对应的正弦应变波形。距离-应变图清晰地显示了应变施加的位置，而时间-应变图则展示了动态变化过程。 * 一个值得注意的现象是，所有动态应变测量中观测到的应变幅值均小于压电陶瓷预期的理论值（约为1/3到1/4）。作者指出，这可能部分源于压电装置设置不当或固定部分的应变传递效率低，具体原因尚待明确。但这并不影响方法本身验证的成功。

四、 研究结论与价值 本研究成功开发并验证了一种基于PNC-OFDR的长距离、高空间分辨率分布式应变测量技术。主要结论如下： 1. 突破了距离限制：针对SHM所需宽带扫描激光器相干长度短（约100米）的问题，PNC-OFDR技术实现了在超过1.5公里全长光纤上优异的瑞利光谱互相关性。这是首次报道OFDR技术在公里级范围内实现精细光谱相关。 2. 实现了高性能静态测量：利用该长距离特性，研究实现了空间分辨率10厘米、应变范围高达1000 με的静态应变测量，测量点位于光纤末端，充分展现了技术的实用潜力。 3. 提出了创新的动态测量方案：提出了一种基于子波段分解和统计处理的新型动态应变测量方法。该方法无需事先测量静态参考光谱，解决了实际工程应用中的一个关键瓶颈。 4. 验证了动态测量性能：使用所提方法，在220米光纤上，以5厘米空间分辨率和600赫兹刷新率，成功观测到了高达200赫兹的动态应变。

本研究的科学价值在于，从原理上解决了限制OFDR测量距离的核心问题（相位噪声累积），并通过算法创新提升了动态测量的实用性。其应用价值巨大，有望极大地推动OFDR技术在大型基础设施（如桥梁、大坝、隧道、风电叶片等）结构健康监测中的广泛应用。

五、 研究亮点 1. 里程碑式的距离突破：首次在OFDR中实现了超过1.5公里全链路高光谱相关性的应变测量，将有效传感距离相比传统方法提升了两个数量级。 2. 核心技术的有效应用：将PNC-OFDR这一补偿技术从原理验证推向实际长距离、大应变传感的示范，证明了其强大的工程化潜力。 3. 算法创新解决实际难题：提出的动态应变测量无需先验静态参考光谱的算法，巧妙利用统计平均思想，显著提升了动态监测系统的部署灵活性和实用性。 4. 静动态性能全面验证：研究不仅完成了极限距离下的静态应变测试，还同步实现了高刷新率的动态应变测量，展示了技术方案的完整性和多功能性。 5. 详实的实验对比：通过与传统OFDR的对比，清晰直观地展示了PNC技术的巨大优势；通过动态测量中“未校正”与“校正后”结果的对比，有力地证明了新算法的必要性及有效性。

六、 其他有价值内容 论文还提及，本研究基于团队在OFS-28国际会议上的前期工作，但在本期刊论文中更新了实验数据，将静态应变测量距离延长至近1.5倍，动态应变测量距离延长至近两倍，体现了工作的持续进展。此外，文中对实验细节的描述非常详尽，包括激光器参数、延迟光纤长度、触发设置、数据处理中的计窗长度等，为其他研究者复现和借鉴提供了充分信息。同时，作者也客观指出了实验中观测到的应变值偏差问题，并分析了可能的原因，体现了科学的严谨性。