哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所的Kunpeng Feng、Jiwen Cui等学者于2018年10月在《Sensors》期刊发表了题为《Enhancement of the Performance and Data Processing Rate of an Optical Frequency Domain Reflectometer Distributed Sensing System Using a Limited Swept Wavelength Range》的研究论文。该研究针对光学频域反射仪（OFDR）分布式传感系统在大应变测量范围与窄扫频范围之间的矛盾问题，提出了一种创新性解决方案。

一、研究背景与目标

光学频域反射技术（OFDR）因其优异的空间分辨率和应变精度，在无损检测和结构健康监测领域应用广泛。传统方法通过瑞利散射（Rayleigh Scattering, RS）光谱的互相关分析实现应变测量，但存在两个关键限制：（1）当应变超过1000 µε时，参考光谱（RES）与测量光谱（MES）的相似性急剧下降，导致虚假峰或多峰出现；（2）为扩大测量范围需增加扫频范围（通常需20 nm以上），但会显著降低数据处理速度。本研究旨在开发一种新型算法，在仅10 nm扫频范围内实现3000 µε的大应变测量，同时将数据处理速度提升10倍以上。

二、研究方法与技术路线

1. 瑞利散射光谱局部相似性特征的发现

研究团队通过仿真和实验（180组光谱统计分析）揭示了瑞利散射光谱的局部相似性规律：即使在大应变（3000 µε）下，测量光谱中仍存在与参考光谱高度匹配的局部片段（约1 nm波长范围）。图3所示的物理模型表明，应变导致光谱整体偏移时，局部片段仍保持稳定性。实验数据显示（图4），当应变超过1000 µε时，传统互相关方法的信噪比（SNR）降至1-2，而采用局部光谱匹配可将SNR提升至3.1（图6）。

2. 基于最小二乘法的相似性评价函数

为替代计算耗时的皮尔逊相关系数，研究者提出新型评价函数：

v(j) = \sum_{i=1}^{n}[y_{lrs}(i)-y_{lms}(i+j)]^2 

该函数通过归一化局部光谱的残差平方和评估相似度。性能测试表明（图7），其数据处理速度比传统方法快10倍（200个传感点的处理时间从240 ms降至25 ms），且SNR进一步提升至7-12（图8）。

3. 算法实现流程

1. 信号采集：通过可调谐激光源（TLS，Yenista T100R）以40 nm/s速度扫描1540-1550 nm波段，经辅助干涉仪和HCN气体池校准波长采样间隔至42.012 fm（图11）。
2. 空间分辨率控制：采用短时傅里叶变换（STFT）提取光纤各位置的光谱，窗口长度决定空间分辨率（3-20 mm可调）。
3. 局部光谱匹配：在参考光谱中选取1 nm长度的局部片段（LRS），在测量光谱中搜索最小残差的匹配片段（LMS）。
4. 应变计算：根据光谱偏移量∆λ与应变的线性关系（灵敏度系数0.1586-0.1587 GHz/µε）换算分布式应变。

三、关键实验结果

1. 大应变测量能力：在3 mm空间分辨率下，系统成功测量3000 µε的应变（图14），非线性误差<0.5%。相较传统方法（最大测量范围1100 µε），性能提升显著。
2. 精度指标：
   • 应变分辨率：<10 µε（图17显示可识别10 µε的微应变阶跃）
   • 零应变重复性：±0.4 GHz
   • 全量程重复性：0.85 GHz（优于Luna ODISI-B的0.79 GHz）
3. 数据处理效率：10 nm扫频范围比传统30 nm方案节省500 ms扫频时间，结合快速算法使整体处理速度提升10倍。

四、研究价值与创新点

1. 科学价值：首次系统阐明了瑞利散射光谱局部相似性特征，突破了OFDR技术中扫频范围与应变测量范围的固有矛盾，为分布式光纤传感提供了新理论框架。
2. 技术创新：
   • 开发局部光谱匹配策略，将有效SNR提升4-12倍
   • 首创基于最小二乘法的快速相似性评价算法
   • 实现3 mm空间分辨率下3000 µε的测量范围（较文献报道提升近3倍）
3. 应用前景：该技术可直接集成于现有OFDR系统，适用于桥梁、飞机等大型结构的健康监测，特别适合需要高空间分辨率与大应变测量并重的场景。

五、研究亮点

1. 方法创新性：通过”局部匹配+最小二乘评价”的双重创新，解决了传统互相关方法在大应变下的失效问题。
2. 性能突破：在扫频范围缩减67%（30 nm→10 nm）的情况下，反而将应变测量范围扩大至3000 µε。
3. 工程实用性：所有实验数据均来自自主搭建的系统（图10），包含精密位移控制平台（Suruga Seiki KXC06）和定制化信号处理算法，具有完全自主知识产权。

这项研究为高性能分布式光纤传感技术的发展提供了重要突破，其提出的方法框架可扩展至温度、振动等多参数测量领域，具有广阔的工程应用前景。