基于瑞利散射光谱局部相似特性的OFDR应变测量范围改进研究
一、作者及发表信息
本研究由哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究中心的Kunpeng Feng、Jiwen Cui（通讯作者：cuijiwen@hit.edu.cn）、Dong Jiang、Hong Dang等团队完成，发表于*Optics Letters*期刊2018年7月第43卷第14期（DOI: 10.1364/OL.43.003293）。
二、学术背景
研究领域：本研究属于分布式光纤传感技术领域，聚焦于光学频域反射仪（Optical Frequency Domain Reflectometer, OFDR）的性能优化。
研究动机：传统OFDR在测量大范围分布式应变（如超过1000 με）时，瑞利散射（Rayleigh Scattering, RS）光谱的相似性会因参考光谱（RES）与测量光谱（MES）重叠区域减少而显著退化，导致交叉相关结果出现虚假峰值（fake peaks）或多峰值（multi-peaks），限制了测量精度和空间分辨率（低至毫米级）。
研究目标：通过发现瑞利散射光谱的局部相似性（Local Similarity, LS），提出一种改进的OFDR方法，以扩展应变测量范围（最高至3000 με）并保持高空间分辨率（3 mm）。
三、研究流程与方法
实验系统构建
- 硬件配置：采用外腔可调谐激光器（波长范围1540–1560 nm，扫描速率40 nm/s）、偏振平衡探测器（Thorlabs Int-Pol-1550）、数据采集卡（Advantech PCI-1714）及迈克尔逊干涉仪（用于抑制激光扫描非线性）。传感光纤为Corning SMF-28e单模光纤，应变加载段长度40 cm，通过步进电机（Suruga Seiki KXC06）控制拉伸。
瑞利散射光谱分析
- 理论基础：瑞利散射光谱由光纤折射率随机分布产生，具有“指纹”特性，其光谱偏移与应变呈线性关系（比例常数0.145 GHz/με）。
- 传统方法局限：当应变超过250 με时，RES与MES重叠区域减少，交叉相关信噪比（SNR）下降，导致虚假峰值干扰。
局部相似性优化
- 参数选择：通过实验确定局部光谱（LS）的最佳数据长度（10%全光谱）和位置（光谱中部），以最大化相似性并避免虚假峰值。
- 匹配算法：在MES中滑动选取与LS长度相同的片段，计算其与RES的协方差相似度（公式1），选取最高相似度片段作为匹配结果。
数据处理流程
- 步骤：
- 通过FFT将OFDR信号转换为距离域反射率；
- 利用短时傅里叶变换（STFT）提取局部光纤段的RS光谱；
- 对RES和MES的局部光谱进行交叉相关分析，计算波长偏移；
- 根据偏移量反推应变分布。
创新方法：
- 局部光谱匹配：仅使用RES的10%局部光谱（而非全光谱）与MES匹配，显著提升相似度（实验验证相似度从<0.2提升至>0.8）。
四、主要实验结果
- 相似性提升：在3000 με应变下，3 mm光纤段的局部相似性较传统方法提高4倍（图6），交叉相关SNR显著改善。
- 应变测量性能：
- 非线性误差：<0.3%；
- 重复性：3 mm空间分辨率下全量程重复性为6.3 με（图8），优于商用设备Luna ODiSI-B（5 με）。
- 抗干扰能力：在3000 με范围内未出现虚假峰值或误判点（图7），验证了方法的鲁棒性。
五、研究结论与价值
- 科学价值：首次揭示了瑞利散射光谱的局部相似特性，为高分辨率分布式应变测量提供了新理论依据。
- 应用价值：该方法可直接集成于现有OFDR系统，适用于结构健康监测（如航空、桥梁等大应变场景），且无需人工标记光纤。
- 技术突破：实现了3 mm空间分辨率下3000 με的测量范围，打破了传统OFDR的应变限制。
六、研究亮点
- 关键发现：瑞利散射光谱的局部相似性是大应变测量的核心影响因素。
- 方法创新：局部光谱匹配策略解决了交叉相关虚假峰值问题。
- 性能标杆：在毫米级分辨率下达到国际领先的重复性（0.95 GHz全量程精度）。
七、其他补充
资助信息：国家自然科学基金（51575140）、哈尔滨市杰出青年科学基金（RC2016JQ006007）。
对比研究：团队引用Luna ODiSI-B数据，证明本方法在5 mm分辨率下性能更优（3.3 με重复性 vs. 5 με）。