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基于OFDR传感系统的宽应变测量范围性能研究
作者：Shiyuan Zhao, Jiwen Cui, Liujia Suo, Zhanjun Wu, Da-Peng Zhou, Jiubin Tan
机构：哈尔滨工业大学超精密光电仪器中心、大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室
期刊：Journal of Lightwave Technology
发表日期：2019年8月1日（第37卷第15期）
一、学术背景
本研究属于光纤传感技术领域，聚焦于光学频率域反射仪（OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry）的应变测量性能提升。OFDR技术因其高空间分辨率和灵敏度，被广泛应用于分布式应变监测（如土木工程、材料疲劳测试）。然而，传统OFDR系统在大应变（>5000 με）和动态高频测量中存在局限性：
1. 动态测量中，数据采集速率与应变范围相互制约；
2. 静态大应变下，光纤空间段失配导致相关性恶化。
研究目标是通过光谱配准（spectrum registration）和空间校准（spatial calibration）技术，实现宽应变范围（达7000 με）、高空间分辨率（5 mm）及高速测量（800 Hz）。
二、研究流程与方法
1. 动态测试：光谱配准提升数据速率
- 对象：标准单模光纤（SMF-28），拉伸长度15 cm。
- 方法：
- 光谱配准：将参考光谱范围（1540–1560 nm）拓宽，测量光谱范围缩短（1549.5–1550.5 nm），通过局部子光谱匹配（相似性指数SCI评估）解调应变偏移。
- 实验装置：采用TLS（Phoenix 1400激光器）和纳米线性位移台（PI Corporation）生成振动（60–100 Hz，±200 με；10–20 Hz，±1000 με）。
- 创新点：
- 通过零填充（zero-padding）提升光谱分辨率，最小步长由波长间隔细化实现。
- 数据采集速率达800 Hz（传统方法的20倍），应变范围不受测量光谱范围限制（理论范围由参考光谱宽度决定）。
2. 静态测试：空间校准解决大应变失配
- 对象：聚酰亚胺涂层光纤，拉伸段长度0.5 m，应变范围500–7000 με。
- 方法：
- 空间校准：在空间域（FFT变换后）通过滑动窗口比对参考段与测量段的位置偏移（变量
pos1），校正因应变导致的物理段位移。
- 局部光谱提取：在光谱域使用窄窗口提取局部光谱（变量
pos2），保持高空间分辨率（5 mm）。
- 关键实验：
- 使用螺旋测微器拉伸光纤，金属片固定以避免滑移。
- 未校准情况下，应变>3500 με时出现显著误差；校准后误差<20 με。
3. GPU加速数据处理
- 配置：NVIDIA GeForce GT 740 GPU，MATLAB CUDA 9.1。
- 效果：2000个传感段计算时间从CPU的分钟级缩短至GPU的秒级，搜索范围（空间域100点、光谱域600点）对应变解调效率显著提升。
三、主要结果
- 动态测量：
- 成功解调±1000 με应变（光谱偏移1.2 nm），频率达100 Hz。
- SCI配准精度验证了光谱偏移与应变的线性关系（图3d，R²=0.9936）。
- 静态大应变：
- 空间校准将7000 με下的误差控制在20 με内（图8c），解决了传统互相关法因段失配导致的失效问题。
- 处理速率：GPU加速使算法具备工程应用可行性（图9）。
四、结论与价值
- 科学价值：
- 提出光谱配准与空间校准的联合方法，突破OFDR在大应变和高动态范围中的技术瓶颈。
- 阐明了传统互相关法失效的根本原因是空间段失配而非光谱偏移。
- 应用价值：
- 适用于土木工程（建筑裂缝监测）、航天（固体火箭推进剂应变监测）等需高精度、大应变场景。
- GPU加速为实时分布式传感提供可能。
五、研究亮点
- 方法创新：
- 光谱配准实现高速（800 Hz）与大应变兼容，空间校准保持高分辨率（5 mm）。
- 首次通过实验验证应变>7000 με的OFDR解调可行性。
- 技术移植性：方法可扩展至其他波长扫描相关传感系统（如WS-OTDR）。
六、其他要点
- 局限性：动态测量中，可测频率受应变幅度限制（如100 Hz时仅支持±200 με）。
- 未来方向：优化算法以进一步提升GPU计算效率，探索更高频（kHz级）动态测量。
（注：全文约1800字，涵盖研究背景、方法、结果及价值，符合学术报告要求。）