基于OFDR方案高精度相位检测的分布式光纤形变测量研究学术报告
一、研究团队与发表信息
本研究由哈尔滨工业大学超精密光电仪器研究中心的Shiyuan Zhao、Jiwen Cui（通讯作者）、Ziyun Wang、Jiubin Tan，以及大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室的Zhanjun Wu共同完成，发表于《Journal of Lightwave Technology》2021年6月第39卷第12期。
二、学术背景与研究目标
光纤形变测量是结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）中的关键技术，通过光纤的应力、应变或形变反映结构状态。传统方法如马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer）仅能测量光纤整体长度变化，而分布式光纤传感需通过应变积分间接获取形变，存在精度与分辨率限制。2012年Gifford等提出基于光频域反射仪（Optical Frequency Domain Reflectometry, OFDR）的相位追踪技术，但受限于瑞利散射信号弱和相位解调范围窄（仅数弧度），高空间分辨率形变测量仍具挑战性。本研究旨在开发相位OFDR技术，提出新型数据处理算法，实现光纤形变的分布式高精度测量，并分析应变分布。
三、研究流程与方法
1. 测量原理与系统构建
- OFDR系统架构：采用常规OFDR系统（图1），包含辅助干涉仪（用于激光非线性校正）和主干涉仪（传感光纤位于测量臂）。可调谐激光源（TLS）以150 nm/s速度扫描1540-1560 nm波段，空间分辨率达40 μm。
- 相位谱获取：通过离散傅里叶变换将光频域信号转为空间域，计算复数值相位角得到相位谱。参考态与测量态的相位谱差分获得微分相位（δφ_z），其与光纤长度变化（δl_z）的关系为：
[ \delta\phi_z = \frac{4\pi(1-pe)n{eff}}{\lambda_0}\delta l_z ] 其中，( pe=0.22 )为弹光系数，( n{eff}=1.48 )为有效折射率。
数据处理算法
应变分布推导
应变（ε_z）与微分相位导数的关系为：
[ \varepsilon_z = \frac{\text{diff}(\delta\phi_z)}{\delta f}\cdot\frac{v_0}{2\pi(1-p_e)} ]
采用Savitzky-Golay（SG-I）数字微分器（滤波器长度2m+1）抑制噪声，空间分辨率为( (2m+1)\delta z )。
实验验证
四、主要结果与逻辑关联
1. 相位校正有效性：未校正时相位在160 mm后失相干（图6），校正后全光纤相位清晰（图7），验证了分段补偿算法的必要性。
2. 高分辨率形变追踪：悬臂梁实验显示拉伸/压缩区域相位变化趋势（图8），拉伸台实验证实长度变化测量精度0.1 μm（图12），支持微分相位与形变的线性关系（式10）。
3. 应变分布精度：SG-I微分器在1-3 mm分辨率下应变噪声低于互相关法（图9），但牺牲了空间分辨率（式18），体现噪声抑制与分辨率的权衡。
五、研究结论与价值
1. 科学价值：
- 提出密度分布相位解缠算法，避免平滑操作导致的精度损失，相位噪声低至1 rad（对应0.1 μm形变）。
- 解析相位失相干机制，建立散射单元错位补偿模型，拓展了OFDR的大应变测量范围。
2. 应用价值：
- 为桥梁、飞机等结构健康监测提供分布式高精度形变测量工具，空间分辨率40 μm，应变分辨率毫米级。
- 算法兼容标准单模光纤，无需瑞利散射增强处理，降低部署成本。
六、研究亮点
1. 创新方法：密度分布相位解缠算法与分段相位校正技术为首次提出，解决了高噪声环境下相位跳变判定的难题。
2. 技术突破：在20 nm调谐范围内实现40 μm空间分辨率，较传统OFDR相位检测范围显著提升。
3. 多场景验证：通过悬臂梁（非均匀形变）和拉伸台（均匀形变）双实验验证算法普适性。
七、其他价值
研究指出，更宽的调谐范围虽加剧相位失相干，但可通过增加相位跳变间数据点提升大应变下的解缠成功率，为后续研究提供优化方向。