基于色散效应的光纤光栅高速高精度解调方法研究

利用普通单模光纤(SMF)与色散补偿光纤(DCF)分别具有正色散和负色散系数特性,实现光纤光栅阵列的高速高精度解调.系统采用全光纤结构,仅需发出单一高速光脉冲,即可根据反射光脉冲时延差同时获取各个光栅的波长与位置信息,大幅提高了光纤光栅解调速度;通过建立DCF-SMF双通道和色散差矫正模型,削弱了温度变化及色散值误差对系统解调精度的影响.实验表明,本方法解调速率可达1 MHz,解调过程受传感网络光纤及双通道温变影响较小,具有良好稳定性及高精度;5—75?C温度扰动实验中,传感网络传输光纤温变时系统解调均方差16.8 pm,DCF-SMF双通道受温度扰动时系统解调均方差为11.9 pm,恒温下系统长时间解调时均方差为6.4 pm;应力实验中,解调线性度可达0.9998,解调精度约为8.5 pm.     

阵列波导光栅解调的准分布式光纤光栅传感器

从理论上和实验上研究了一种操作简单、响应速度快,价格低廉和高分辨率的基于阵列波导光栅(AWG)的准分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感器.该传感系统采用了阵列波导光栅双通道强度解调技术对光纤光栅的布拉格波长和温度进行精确的解调.实验结果表明,该系统对宽带宽光纤光栅的布拉格波长和温度解调均具有高线性度,考虑系统稳定性及光纤布拉格光栅之间的串扰影响,波长测量精度仍可达2 pm,温度测量精度优于0.2℃.     

一种利用啁啾光栅反射滤波的光纤光栅传感解调方法

利用啁啾光纤光栅结合长周期光纤光栅边沿线性滤波技术,提出了一种新颖的光纤光栅传感解调方法,并实现了在传感波长变化5 nm范围内的波长解调.采用了全光纤结构,无需机械部件调谐,可大大提高光纤传感系统的解调速度及稳定性.     

一种长周期光纤光栅边沿滤波线性解调新方法

光纤光栅作为一种新型的传感器件,有着巨大的应用价值。利用长周期光纤光栅的滤波特性,提出了一种可应用于光纤光栅传感解调的新方法。即利用长周期光纤光栅作为边沿滤波器的基本器件,可完成一路或者多路光纤光栅的传感波长解调。该解调方案基于光强度测量,适用于动态和静态测量。而且由于采用全光结构设计,无须机械部件调谐,因此,可大大提高解调速度。具有系统反映迅速,性能价格比高等优点。经实验,实现了在5nm范围内的波长线性解调。测量波长分辨极限为0．002nm,解调速度数十kHz。     

基于连续扫频光时域反射的全同弱光栅高速解调方法

具有大容量复用能力的全同弱反射光栅已成为光纤传感领域的研究热点,然而现有的全同弱光栅时分复用解调技术存在解调复杂和响应时间长等问题.针对此问题,本文提出了一种连续扫频光时域反射的高速解调新方法.不同于光时域反射的脉冲光,本方法采用的是连续光扫频,利用光传输延时来实现不同位置的全同光栅在时域上的分离,利用光谱扫频实现光栅波长信息的解调,在系统解调工作阶段,一次扫频就能同时获取所有光栅的位置信息和完整的反射光谱波长信息.针对光谱高速扫频情况下光传输延时所引入的光栅波长解调误差,本文提出在系统初始阶段采用延时校准方法,通过不同的光谱扫频速度,获取各个光栅固有的延时时间参量,确定各光栅位置,消除光传输延时,完成各光栅的波长解调.实验对18个全同弱光栅组成的传感网络进行了初始校准、静态温度和动态振动实验,结果表明,对全同弱光栅的解调误差小于15 pm,分辨率1 pm,线性度达0.998,系统可分析60 kHz内的频谱信息,解调频率高达120 kHz.     

基于光频域反射技术的超弱反射光纤光栅传感技术研究

光纤光栅传感技术近年来的快速发展对复用容量和空间分辨率提出了更高的要求。采用超弱反射光纤光栅(FBG)结合光频域反射技术(OFDR),实现了大容量、高空间分辨率的准分布式光纤光栅传感网络的解调。通过对拍频信号分离的优化和非线性矫正,利用拍频信号的频谱信息,实现了高空间分辨率的光纤光栅位置信息的提取,并进行各个光栅拍频信号时域上的分离,再结合希尔伯特变换还原光栅的反射光谱信息,实现光栅的波长解调。实现了单根光纤上200个间隔为20 mm、中心波长为1552.8 nm、反射率仅为0.1%的全同超弱反射光纤光栅的解调。实验结果表明,在-10℃~80℃的温度范围内,各个光栅的中心波长随温度变化的线性度达到99.6%以上。     

强度解调型光纤光栅温度传感实验

光纤光栅在工程上应用广泛,但由于存在解调系统复杂、成本高,尤其是需要使用光纤光谱仪等波长解调仪器,使得光纤光栅很难走入本科教学的实验课堂.本文提出了一种基于窄线宽DFB激光器的强度解调方案,极大地简化了光纤光栅传感器的解调系统,完全满足较高分辨率和实时检测的系统要求.合理安排的温度传感实验可以非常直观地展示光纤光栅的线性传感性能,使得工程化的光纤光栅传感技术轻松走进本科教学课堂,具有极高的推广和应用潜力.     

基于混沌光纤激光的准分布式布拉格传感网络

提出了一种基于混沌光纤激光器的准分布式布拉格光纤光栅传感系统,将波长可调谐的混沌光纤激光器作为传感光源,全同弱反射布拉格光纤光栅作为传感元件。利用混沌光源具有delta函数的自相关特性,将混沌源的参考光信号与从全同弱反射布拉格光纤光栅反射的光信号经光电探测器进行光电转换,结合相关法对参考光和反射光进行相关运算,根据相关峰的位置对传感器位置进行精确定位。利用混沌激光的可调谐性实现因应力作用而发生变化的全同弱反射光纤光栅的中心波长的解调,从而实现准分布式的传感网络。实验结果表明利用混沌激光可在单路光纤上复用全同弱反射光纤光栅实现传感,并有望实现密集型全同弱反射光纤光栅传感网络。     

基于峰值匹配分布式估计算法的光纤布拉格光栅传感网络重叠光谱的波长解调

针对有限光源带宽条件下光纤布拉格光栅传感网络重叠复用的解调瓶颈,提出基于峰值匹配分布式估计算法的波长解调方法,将光纤布拉格光栅传感网络重叠光谱的解调问题转化为函数优化问题,利用理论光谱与重叠光谱之间的差异构建优化模型,通过峰值匹配分布式估计算法对该优化模型进行求解得到各光纤布拉格光栅的传感值.分布式估计算法采用高斯混合模型构建描述光纤布拉格光栅传感网络的解空间概率分布,由概率模型采样产生新的种群个体,并引入峰值匹配算子消除光纤布拉格光栅峰值错配,通过反复进化最终得到最优解.采用该方法对不同规模数量的光纤布拉格光栅传感网络进行解调实验,结果表明该方法在大规模光纤布拉格光栅光谱完全重叠的情况下,平均误差可控制在10pm以内;与现有其他解调技术相比,其具有更高的解调精度,能够解决光纤布拉格光栅传感网络光谱在部分重叠甚至完全重叠情况下的波长解调问题,为提升光纤布拉格光栅传感网络复用数量提供了新的解调途径.     

基于虚拟仪器和可调谐激光技术的光纤光栅传感系统

提出了一种新颖的基于虚拟仪器(VI)和可调谐激光技术的光纤光栅(FBG)传感系统,利用可调谐激光对由光纤光栅组成的传感器阵列进行波长扫描,实现了多根光栅的复用准静态解调,并结合抖动技术和反馈环结构,使得探测信号在每一根传感光栅中心波长处过零,以提高系统在测定波长偏移时的分辨力。当反馈环工作在闭环状态下时,该系统还可对单根光栅实现动态跟踪锁定,实现单根光栅的动态解调。该传感系统的数据采集采用虚拟仪器技术,通过多通道同时输入输出实现了在线实时解调。实验采用了4根光栅组成传感阵列,获得了静态多根光栅小于1με和单根光栅动态频率10 Hz时3.3 n/εHz的解调分辨力,动态应变范围在850με。     

基于微波光子学的准分布式光纤传感解调技术

准分布式光纤传感系统在土木工程、能源勘测、航空航天、国防、化工等领域一直发挥着不可替代的重要作用。以微波光子学为基础的准分布式光纤传感解调技术被广泛应用于光纤复用系统的快速、高精度的信号解调与传感器定位。与传统的光学波长解调方案相比,该技术大幅提高了系统的解调速率,弥补了传统解调方法在传感器定位方面的缺陷。本文主要介绍了近年来国内外在基于微波光子学的准分布式光纤传感解调领域的研究进展,从光纤光栅准分布式传感系统和光纤法布里-珀罗准分布式传感系统两方面入手,对比分析了现有的数种微波解调光纤准分布式系统的优缺点,并对基于微波光子学的准分布式光纤传感解调技术的未来发展方向进行了总结与展望。     

A large capacity sensing network with identical weak fiber Bragg gratings multiplexing

A quasi-distributed optical fiber sensing network with large multiplexing capacity, which is based on identical weak fiber Bragg gratings, is proposed, theoretically analyzed and experimentally studied. The key technique is the demodulation technology named “Optical wavelength time-domain reflection (OWTDR),” which utilizes the optical power variation of reflected sensing signal in both time domain and wavelength domain. The influence of reflectivity of fiber grating, interval between adjacent gratings and transmission loss of delay fiber on the multiplexing capacity of sensing system are discussed. Analyzed results demonstrate that this sensing scheme can effectively increase the multiplexing capacity of sensing system up to 1000, implement multi-point synchronous measurement and reduce the cost of signal demodulation. 9 Identical weak fiber Bragg gratings with the same Bragg wavelength of 1536.651 nm, reflectivity of 6%, bandwidth of 0.07 nm are written in series to investigate the performance of the proposed scheme.     

基于阵列波导光栅的智能服装人体测温解调系统研究

研究并实现了一种应用于智能服装中人体温度测量的阵列波导光栅解调系统。分析了系统的解调原理,搭建了光纤布拉格光栅解调实验平台,采用了强度法解调出光纤光栅的布拉格波长,完成了光纤光栅传感器串联前后解调的实验。结果表明,系统对光纤布拉格光栅的布拉格波长的解调具有高线性度,波长测量精度可达0.001 nm,光纤布拉格光栅传感器间串扰所造成的解调误差为0.000 5 nm,人体温度的测量误差为±0.16 ℃。该解调系统精度高、串扰低,可适用于智能服装中人体温度的测量。     

Multiple fiber Bragg grating interrogation based on a spectrum-limited Fourier domain mode-locking fiber laser

A novel fiber Bragg grating (FBG) sensing system based on a spectrum-limited Fourier domain mode-locking (SL-FDML) fiber laser is proposed. Multiple FBGs cascaded in a long fiber are utilized as both the sensors in the system and the wavelength-selected components in the SL-FDML fiber laser. Both wavelength-division multiplexing and spatial-division multiplexing techniques are demonstrated for interrogation of multiple FBGs by mapping the wavelength measurement to the time measurement and by adjusting the driving frequency of the SL-FDML fiber laser. The proposed FBG sensing system, employing techniques of the wavelength- and spatial-domain interrogation of multiple FBGs, can be used in remote and quasi-distributed multipoint sensing.     

用光纤光栅传感器测量外压力的动态调制方法

为了提高光纤布拉格光栅压力传感器的精度和降低系统成本，提出一种使用光纤双布拉格光栅测定压力的测量方法，即在外界压力作用下，传感光纤布拉格光栅反射波长的飘移被转变成在交变力策动下发生弯曲的等强度悬臂梁调制的扫描光栅的反射光脉冲间隔的变化。实验结果表明：光纤布拉格光栅反射波长漂移的测量范围为0～3nm，波长测量的不确定度为1pm；压力传感器的量程为0～6MPa时，压力的测量不确定度为0.005MPa。     

光纤微机电系统法布里-珀罗压力传感器的波分复用

提出了一种用阵列波导光栅复用光纤微机电系统法布里-珀罗压力传感器的方法,实现了法布里-珀罗压力传感器的准分布式测量。传感器基于法布里-珀罗腔干涉的原理,采用微机电系统技术加工制作,用双波长方法解调干涉信号,利用传感器对两个不同波长光的反射率的比值与压力的单值关系确定所施加压力的大小,用阵列波导光栅实现传感器复用。理论分析与实验验证了传感器解调和复用的基本原理。实验结果表明:在压力的线性测量范围(0~1.5 MPa)内,系统的灵敏度(相对反射率比值/压力)可达到0.02026 MPa-1,测量结果具有较好的线形性,相对反射率比值的标准偏差小于3×10-4。该系统可以补偿传感器光网中和波长无关的变动引起的误差,具有好的线性、灵敏度和精度,复用能力强且复用传感器间无串扰。     

基于阵列波导光栅的边缘滤波温度解调系统

为克服传统阵列波导光栅解调系统体积大、价格昂贵等问题,提出了以窄带光源为输入光源,采用边缘滤波和阵列波导光栅相结合的解调方案,实现对增敏封装后的光纤光栅温度传感器进行温度解调实验。以窄带光源作为输入,通过边缘滤波的方法使得温度传感器反射谱的中心波长偏移程度与解调光路输出光强的变化相对应,利用阵列波导光栅的波分复用实现多传感器同时测量,实现了多传感器多通道的分布式测量,实验结果表明:解调系统的波长解调范围为1 545.30 nm～1 560.50 nm,对35 ℃～42 ℃的温度范围进行检测,波长解调精度为±5.34 pm,温度测量误差可达±0.1 ℃。     

基于光纤侧边抛磨技术的醋酸浓度光纤传感器

演示了两种利用光纤侧边抛磨技术制备的用于醋酸浓度检测的光纤传感器.其中一种光纤传感器采用轮式抛磨法对光纤光栅的光栅区包层进行侧边抛磨加工而成,将醋酸溶液覆盖于光纤光栅的抛磨区,利用侧边抛磨光纤光栅反射峰波长的变化对醋酸浓度进行测量;另一种光纤传感器采用轮式抛磨法对普通单模光纤包层进行侧边抛磨加工而成,将醋酸溶液覆盖于光纤抛磨区,利用抛磨光纤插入损耗的变化对醋酸浓度进行测量.两种光纤传感器的实验都表明:光纤包层抛磨表面与纤芯的距离越小,测量分辨率越高.剩余包层厚度为 0 μm 的侧边抛磨光纤光栅传感器测量醋酸溶液浓度分辨率为6.67%;剩余包层厚度为O.5μm 的侧边抛磨光纤传感器测量醋酸溶液浓度分辨率为0.55%.     

Long-distance fiber Bragg grating sensor system with a high optical signal-to-noise ratio based on a tunable fiber ring laser configuration

A novel tunable fiber ring laser configuration with a combination of bidirectional Raman amplification and dual erbium-doped fiber (EDF) amplification is proposed for realizing high optical signal-to-noise ratio (SNR), long-distance, quasi-distributed fiber Bragg grating (FBG) sensing systems with large capacities and low cost. The hybrid Raman-EDF amplification configuration arranged in the ring laser can enhance the optical SNR of FBG sensor signals significantly owing to the good combination of the high gain of the erbium-doped fiber amplifier (EDFA) and the low noise of the Raman amplification. Such a sensing system can support a large number of FBG sensors because of the use of a tunable fiber Fabry-Perot filter located within the ring laser and spatial division multiplexing for expansion of sensor channels. Experimental results show that an excellent optical SNR of approximately 60 dB has been achieved for a 50 km transmission distance with a low Raman pump power of approximately 170 mW at a wavelength of 1455 nm and a low EDFA pump power of approximately 40 mW at a wavelength of 980 nm, which is the highest optical SNR achieved so far for a 50 km long FBG sensor system, to our knowledge.