基于距离补偿与图像小波去噪方法的高空间分辨率OFDR应变传感器研究

作者与发表信息

本研究由Pengfei Li、Cailing Fu（通讯作者）、Bin Du、Jun He（OSA会员）、Huajian Zhong、Chao Du、Lei Wang及Yiping Wang（IEEE和OSA高级会员）合作完成，团队成员主要来自深圳大学物理与光电工程学院（教育部/广东省光电器件与系统重点实验室）及深圳大学材料科学与工程学院。研究成果发表于Journal of Lightwave Technology第39卷第19期（2021年10月1日），标题为《High-Spatial-Resolution Strain Sensor Based on Distance Compensation and Image Wavelet Denoising Method in OFDR》。

学术背景

科学领域：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技术（Optical Frequency Domain Reflectometry, OFDR）的应变测量性能提升。

研究动机：OFDR因高灵敏度和空间分辨率被广泛应用于结构健康监测、微机械结构测量等领域，但商用系统（如Luna OBR 4600）受限于激光源非线性调频、环境振动噪声等因素，空间分辨率仅达厘米级。现有数据处理方法（如Morlet小波变换、差分相对相位法）多针对一维信号处理，忽略了多维信号域的有用信息，且无法同时解决位置偏差和系统噪声问题。

研究目标：提出结合距离补偿（Distance Compensation, DC）与图像小波去噪（Image Wavelet Denoising, IWD）的混合方法（DC+IWD），实现2.56 mm空间分辨率下200–2000 με应变范围的精确测量，并提升系统信噪比。

研究流程与方法

1. 实验系统搭建

装置设计：
- 主干涉仪（MI）：采用马赫-曾德尔结构，包含50:50耦合器（OC2、OC3）、25米测试单模光纤（SMF）及偏振控制器（PC），通过偏振分束器（PBS）分离P/S偏振光，由平衡光电探测器（BPD2/BPD3）采集瑞利散射（RS）信号。
- 辅助干涉仪（AI）：迈克尔逊结构，含70米延迟光纤（L2）和法拉第旋转镜（FRM），用于生成触发DAQ的时钟信号，抑制激光频率扫描非线性。
- 数据采集：NI PCI 6115采集卡（采样率3.5 MS/s）记录信号，通过快速傅里叶变换（FFT）将时域信号转换为频域。

关键参数：
- 激光波长扫描范围：1545–1555 nm（扫频速率40 nm/s，带宽1250 GHz）。
- 理论空间分辨率：0.08 mm（公式：δz = c/2nδf），实际通过32点平均实现2.56 mm分辨率。

2. DC+IWD混合算法流程

步骤一：距离补偿（DC）
- 信号分段：将参考信号（无应变RS）与测量信号（应变RS）按2.56 mm分段，通过Pearson相关系数计算相似性（优于欧氏距离/余弦相似性）。
- 交叉相关分析：对每段信号进行频域互相关运算，生成矩阵C(z, δf)，其中z为光纤位置，δf为频移。通过最大相关幅值定位应变引起的频移。

步骤二：图像小波去噪（IWD）
- 灰度化处理：将矩阵C(z, δf)归一化为0–255灰度图像。
- 二维小波去噪：选用Sym7小波基函数，分解层级3，阈值设为噪声标准差3.4倍（0.0664），通过收缩与逆变换优化频移δf’。

应变计算：ε = k × δf’（k = 6.67 με/GHz）。

3. 验证实验

• 应变分布测试：光纤分为零应变段（A/C/E）与拉伸段（B/D，长度0.⁵⁄₀.¹²⁄₀.5 m），施加2000 με应变。
  
• 空间分辨率验证：封装2.56 mm间距的SMF于钢管内，实测应变分布与理论一致。
  

主要结果

1. 算法性能对比

   • 传统方法：仅能识别零应变段A，其余段被噪声淹没（应变波动±80 με）。
     
   • DC+IWD方法：清晰解析所有应变段（A–E），应变波动降至±20 με（精度提升4倍）。
     
   • Pearson-DC优势：零应变段频移误差为0 GHz（余弦法57.3 GHz），相关幅值达0.8755（传统法0.3557）。
     

2. 应变线性响应

   • 200–2000 με范围内，实测应变与施加应变的线性拟合斜率0.964，R²=0.999（图8a）。
     
   • 分段B的R²为0.998–1.000，证实方法普适性。
     

3. 空间分辨率验证

   • 2.56 mm间距的钢管封装实验显示清晰应变边界（图5b），优于商用Luna OBR4600（厘米级）。
     

结论与价值

科学价值：
- 首次将二维图像处理引入OFDR，通过DC+IWD混合方法突破传统一维信号处理的局限性。
- 提出Pearson相关系数优化频移检测，为高噪声环境下的分布式传感提供新思路。

应用价值：
- 无需硬件改造即可实现2.56 mm空间分辨率与±20 με精度，适用于微结构变形监测（如飞机机翼形变、桥梁微裂纹检测）。
- 算法可扩展至其他分布式传感系统（如BOTDA、φ-OTDR）。

研究亮点

1. 方法创新性：

   • 结合DC（解决位置偏差）与IWD（抑制多维噪声），首次实现OFDR中应变信号的全段恢复。
     
   • 开发基于Pearson相似性的DC算法，显著提升信噪比。
     

2. 技术指标突破：

   • 空间分辨率2.56 mm（理论极限0.08 mm的32倍平均），应变范围200–2000 με。
     
   • 精度较传统方法提升4倍，优于同类商用设备。
     

3. 实验设计严谨性：

   • 通过钢管封装实验验证分辨率，排除环境干扰；分段应变测试验证算法鲁棒性。
     

其他价值

• 研究获中国国家自然科学基金（61635007、61905155）、广东省自然科学基金等支持，算法已申请专利，代码可复用于工业检测领域。
  
• 团队开发的Sym7小波参数（层级3、阈值0.0664）为后续研究提供优化基准。