基于光谱分段归一化互相关的光频域反射仪抗噪性能提升研究

为解决高空间分辨率下传统互相关算法因瑞利散射强度波动导致虚假峰的问题，重庆大学团队提出分段归一化互相关算法（SN-CC），通过局部光谱强度分段归一化抑制噪声干扰。实验表明，该算法在10 nm扫描范围和3000 με应变下实现3.2 mm空间分辨率，较传统方法提升5.6倍，为分布式光纤传感（OFDR）系统提供了更精准的应变解调方案。

　　

在分布式光纤传感领域，高精度应变和温度测量一直备受关注。传统的光时域反射技术（OTDR）受限于激光线宽，难以实现毫米级空间分辨率。尽管光频域反射仪（OFDR）通过线性调频技术将分辨率提升至微米级，但其核心算法——互相关分析（CC）在高分辨率下暴露出致命缺陷：瑞利散射光谱的强度波动会产生虚假峰，导致解调结果出现重大误差。这一问题在土木工程健康监测和航空航天结构检测等需要毫米级精度的场景中尤为突出。

重庆大学的研究团队针对这一技术瓶颈展开攻关。通过模拟多频信号延时实验，他们发现高强度散射峰会显著降低互相关谱的信噪比。受此启发，团队创新性地提出分段归一化互相关算法（SN-CC），将传统CC算法中全局归一化改进为局部窗口归一化，有效抑制了强度波动带来的噪声干扰。研究采用商用扫频激光器搭建实验系统，通过短时傅里叶变换（STFT）获取局部瑞利散射谱，并引入512点零填充提升波长分辨率。

理论原理与仿真
通过建立多频信号延时模型，研究证实传统CC算法在低光谱重叠时会生成多个虚假峰。仿真显示，当信号包含20 dB强度差异的频率成分时，SN-CC算法可将虚假峰强度降低至原始值的1/5。

实验设置
系统采用马赫-曾德尔干涉仪结构，使用5 nm扫频激光器（理论分辨率164 μm）。测试光纤施加3000 με应变后，对比30点窗口（4.92 mm分辨率）下的瑞利散射谱变化。

结果与讨论
在标准单模光纤测试中，SN-CC算法将应变测量误差从±150 με降至±25 με。特别在3.2 mm空间分辨率下，该算法仍能保持线性响应，而传统CC算法已出现明显失真。对φ-OTDR系统的测试进一步显示，SN-CC可消除90%以上的虚假峰。

结论
该研究从理论上揭示了高强度散射峰对互相关算法的干扰机制，提出的SN-CC算法通过光谱分段处理，将OFDR系统的实用分辨率提升近6倍。这项突破不仅解决了分布式传感中的虚假峰难题，为工程结构健康监测提供了新工具，其核心思想还可拓展至其他基于相关分析的光谱检测领域。论文发表于《Optics》期刊，获得国家重点研发计划等项目支持。