《Journal of Lightwave Technology》2019年8月刊载了由Shiyuan Zhao、Jiwen Cui（哈尔滨工业大学超精密光电仪器研究中心）、Liujia Suo、Zhanjun Wu（大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室）及Dapeng Zhou（大连理工大学物理系）联合团队的研究论文《Performance Investigation of OFDR Sensing System With a Wide Strain Measurement Range》。该研究针对光学频域反射计（OFDR）传感系统在宽应变测量范围中的性能瓶颈，提出创新性解决方案，兼具理论突破与工程应用价值。以下从学术背景、方法流程、核心发现及研究价值等方面展开详细报告。
一、学术背景与研究目标
OFDR技术自1998年Froggatt提出以来，因高空间分辨率（微米级）和灵敏度成为分布式光纤传感的核心手段，广泛应用于土木工程、航空航天等领域。然而，传统OFDR系统在动态测量中面临两大矛盾：
1. 数据采集速率与应变范围不可兼得：缩短激光调谐范围可提升采集速率（如800 Hz），但会牺牲应变测量范围；
2. 大应变（>5000 με）下空间失配问题：应变导致光纤散射点位置偏移，传统互相关分析失效，尤其在短标距（如5 mm）时误差显著。
本研究旨在通过光谱配准（spectrum registration）与空间校准（spatial calibration）协同优化，实现宽应变范围（±7000 με）、高动态（800 Hz）及高空间分辨率（5 mm标距）的精准测量，突破现有技术极限。
二、研究方法与技术流程
研究分为动态测试、静态测试及数据处理加速三大模块，核心创新体现在实验设计与算法层面。
1. 动态测试：光谱配准提升速率与范围
- 实验装置：采用Phoenix 1400可调谐激光器（调谐速度250 THz/s），主干涉仪与辅助干涉仪（50 m延迟光纤）构成OFDR系统，通过纳米位移台（PI公司，500 μm行程）模拟振动。
- 光谱配准原理：
- 参考光谱：宽范围扫描（1540–1560 nm），覆盖最大应变对应频移；
- 测量光谱：窄范围扫描（1549.5–1550.5 nm，1 nm/次），缩短采集时间；
- 相似性指数（SCI）：通过局部光谱段与参考光谱的匹配度（公式9）定位频移，换算为应变值（公式10）。
- 动态性能验证：成功测量60/100 Hz（±200 με）及10/20 Hz（±1000 με）振动，频谱分析信噪比优于传统分段互相关法（文献[4][5]）。
2. 静态测试：空间校准解决大应变失配
- 大应变挑战：应变导致光纤物理长度变化，同一空间段在参考/测量状态下位置偏移（图4）。传统方法因窗口固定引入误差。
- 校准流程（图5）：
- 空间域校准：在FFT变换后的空间域中，滑动参考窗口（125点，5 mm）匹配测量段位置（变量pos1）；
- 光谱域配准：对校准后的段提取局部光谱（n点窗口），二次配准（变量pos2）计算应变（公式12-13）。
- 实验结果：7000 με应变下，误差<20 με（图8c），线性拟合R²=0.9936，显著优于未校准的3500 με失效阈值（图8a）。
3. GPU加速数据处理
- 硬件配置：NVIDIA GT 740 GPU（2 GB显存）对比Intel i3-4160 CPU，MATLAB并行计算优化。
- 效率提升：2000个传感段的计算时间从CPU的分钟级降至GPU秒级（图9），搜索范围（谱域600点/空域100点）下实时性显著改善。
三、核心发现与理论贡献
- 动态测量突破：光谱配准法将采集速率提升至800 Hz（20倍于传统方法），且应变范围不受窄扫描范围限制（公式11）。
- 静态测量创新：空间校准消除大应变下的段失配，5 mm标距内实现7000 με精准测量，为微区应变监测（如橡胶裂纹、火箭推进剂）提供新工具。
- 算法-硬件协同：GPU加速使复杂校准流程具备工程实用性，推动OFDR从实验室走向现场监测。
四、研究价值与亮点
- 科学价值：揭示了传统OFDR大应变误差的根源（空间失配非光谱偏移），提出“双域校准”理论框架。
- 应用价值：适用于土木结构健康监测（如桥梁裂缝）、航天器疲劳测试等需高分辨率、宽量程场景。
- 技术亮点：
- 首创窄窗提取局部光谱维持高分辨率；
- 零填充插值提升配准精度（文献[15]）；
- 开放式光谱范围设计（20 nm）兼顾应变范围与分辨率。
五、总结
该研究通过多学科交叉（光学、算法、机械工程），解决了OFDR领域长期存在的动态速率与静态精度矛盾，其方法可扩展至其他波长扫描传感系统（如WS-OTDR）。未来方向包括更高频动态测量（>1 kHz）及复杂环境（高温、辐射）下的稳定性验证。