分布式大容量光纤光栅传感网络的组网技术

基于光纤光栅复用传感原理,结合F-P可调谐滤波技术,采用波分复用与空分复用相结合的方法构建光纤光栅复用传感网络,并对传感网络中的电源、可调谐滤波器、光电探测器、光开关及传感光纤光栅阵列的组成等进行分析和选择,提出了结构优化的分布式、大容量光纤光栅传感网络的组网方案。通过在光路中使用F-P标准具和参考光栅对波长值进行标定和校准,提高了传感系统的测量精度,为构建大容量、高精度、实时性强的光纤光栅传感系统提供了设计参考。分布式大容量光纤光栅传感网络在多点、多参量和大空间范围传感测量领域具有广阔的应用前景。     

FBG多功能传感系统集成与应用

为充分发挥光纤光栅(FBG)传感系统复用能力,可同时对传感光路各个传感器的光信号进行有效识别,且为传感器设计和加工提供依据,基于FBG传感原理,从系统集成及复用能力优化的角度,探讨波分复用传感器设计方法,以及节点传感器结构和灵敏度设计原则与标准,并将提出的原则等应用于某实际工程光纤监测系统。传感系统在运行过程中,获得了较为可靠的监测数据,分布式光纤和点式电测技术测试结果相差6%左右,进一步表明临近光纤传感器没有出现传感信号串扰现象,为工程施工和安全维护提供参照。     

岩层变形检测的光纤光栅多点传感理论与工程应用

为了监测松散地层沉降变形,提出了一种用于钻孔中植入式光纤Bragg光栅传感器(FBG)的结构和传感网络系统.基于室内实验结果,给出了用于岩层变形检测的传感光栅波长带宽为6 nm,分析了多点传感信号分辨因子,山光源带宽决定的测试系统最大实际复用能力为6个传感器.设计并实现了一个由18个光纤光栅组成的具有特色的光纤Bragg光栅波分复用/空分复用混合阵列.工程实践表明,光纤光栅传感系统采用双同路布置.可提高系统下放后光纤光栅传感器的成活率.     

埋入式光纤光栅应变测量系统的设计

埋入式光纤光栅应变传感器作为大型土木结构健康监测的智能元件具有很好的发展前景。讨论了埋入式光纤光栅应变传感器的传感机理，设计了埋入式光纤光栅应变测量系统。从力学角度阐述了光栅传感探头的结构和制作工艺。采用可调谐F-P滤波器对光栅信号进行解调，解决了应变与温度交叉敏感问题。系统对应变的测量范围为0～1500με。通过理论分析证实了系统方案的可行性。     

基于布里渊光时域反射仪的边坡监测光纤传感器结构

分布式布里渊光纤传感技术在边坡监测领域中有极大的应用潜力。坡体局部产生的大应变往往会超过光纤的承受能力导致光纤断裂,并且由于系统空间分辨率的限制,难以获得一个准确的测量结果。为适应边坡监测,开发了用于分布式布里渊光纤传感的光纤传感结构,通过管子和滑轮构成具有保护作用的往返式结构,在短距离上增加了传感光纤的长度,不仅扩展了光缆对局部变形的耐受度,同时也提高了应变监测准确度。设计对比校准实验,验证了其在空间分辨率为1 m时的性能,并在人工浅层边坡上进行现场监测实验,验证了其对滑坡监测的有效性。此外,由于光缆在改良装置的保护下不与外界接触,光缆的存活率显著提高。     

极窄带宽的布拉格光纤光栅光谱特性研究

根据理想模展开下的耦合模方程，对光纤布拉格光栅的峰值反射率公式进行了数学推导，得到了布拉格光纤光栅的光谱反射率表达式。全面讨论了光栅周期、光纤栅长、光致折射率微扰最大值等参数与光纤光栅反射光谱的关系。仿真结果显示了固定参数下布拉格光栅的极限窄带宽，得到的反射率为1、带宽为0.02nm的窄带宽布拉格光栅，比现今分布式传感系统中使用的布拉格光栅的带宽窄1个数量级。这种布拉格光纤光栅用于分布式传感系统，可大大提高分布式传感系统中光源的带宽利用率，消除各信号间的相互串扰，提高传感光栅复用数目，降低解调系统成本。     

基于弯曲伸张结构的光纤光栅传感研究

以民用工程结构如桥梁、大坝、高层建筑的健康检测为背景, 采用光纤光栅传感器实现对结构性能的实时监测和诊断, 及时发现结构的损伤以评估结构的安全性. 提出了一种可用于光纤光栅传感的新型弯曲伸张弹性敏感结构, 可实现对压力、应变以及加速度的准确测量. 对该结构弯梁腹部处的应变进行了理论分析和实验验证, 结果表明弯梁腹部处各点的应变与该弯曲伸张结构在竖直方向上所受压力、应变以及加速度大小成线性关系. 其最大的优点是同样灵敏度下体积小, 在井下等横向尺寸受限、又要测量纵向加速度的情况下, 梁式传感结构很可能无法使用, 该新型弯曲伸张型弹性敏感结构可作为弹性元件用于光纤光栅压力、应变、称重以及加速度传感器的设计.     

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Bragg光纤光栅传感器的监测系统设计

设计了基于Bragg光纤光栅传感技术的监测系统,当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其他物理量发生变化时,光栅的周期或纤芯折射率将发生变化,从而使反射光的波长发生变化,通过测量反射光中心波长的变化,就可以获得待测物理量的变化情况.该系统利用薄膜滤波器完成对外界的分布式测量,采用光强度检测,能够实现无缝监测.     

轮辐式光纤光栅压力传感器的设计与实现

利用光纤光栅作为基本传感元件，设计研制了一种基于轮辐式压力盒装置的新型光纤光栅压力传感器.常温下在0～30 KN的范围内，其测量线性度达到99.91%，灵敏度达到22 N，且响应速度快.与其它类型的光纤光栅压力传感器相比，轮辐式光纤光栅压力传感器具有更大的测量范围、更高的抗干扰能力，并且由于光纤光栅本身的波分复用特性，可以很方便地构成压力传感网络进行多种物理量、多点的测量.实验表明：本传感系统具有结构简单、操作方便、滞后小、重复性好、结构高度小、重量轻等优点，在桥梁、大厦等超大型建筑以及大型管道等的检测与监测方面将会有更为广阔的应用前景.     

调频连续波分布式光纤布拉格光栅复用系统

研究了利用调频连续波(FMCW)技术对分布式光纤布拉格光栅(FBG)复用系统进行寻址的基本原理;仿真分析了FBG传感器复用距离是系统最小分辨距离的整数倍或非整数倍时,对频谱信号的影响;搭建了基于FMCW的FBG复用系统实验平台,当传感距离1000m时,分别验证了不同扫描周期与复用系统差频信号的线性关系,及不同扫频范围与系统差频信号的线性关系。实验结果表明:FBG复用距离是系统最小分辨距离整数倍时,在测量距离1100 m范围内,系统测量最大误差为243 Hz,最大相对误差小于5%,可以实现FBG传感器的地址查询功能。     

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.     

基于CDMA的布拉格光纤光栅传感系统的仿真分析

讨论了光纤光栅传感系统中常用的复用技术及其限制,阐述了利用CDMA技术实现光纤布拉格光栅阵列波长解调的复用方式,对系统的原理和性能进行了理论分析。在此基础上通过MATLAB做了基于CDMA的光纤光栅传感仿真分析,仿真结果表明该方法能区分反射波长重叠的光栅,从而提高FBG网络复用的频带利用率。     

Spectrum-profile-identification-based wavelength division multiplexing method for a fiber Bragg grating sensor

A new wavelength division multiplexing method for fiber Bragg grating(FBG) sensors based on spectrum profile identification is proposed. In this method, FBGs and tilted FBG(TFBG) sensors are cascaded in a single fiber in one sensing channel. The different spectrum profiles enable the cross-correlation method to demodulate the wavelength. Therefore, the different types of sensors can occupy the same central wavelength band. Using this method, the multiplexing capacity is optimized. Experiment results demonstrate the feasibility of this method and it is useful for applications where large numbers of FBGs are needed.     

A lasing wavelength stabilized simultaneous multipoint acoustic sensing system using pressure-coupled fiber Bragg gratings

A fiber Bragg grating (FBG) sensor head, using a pressure coupling mechanism, was designed for broadband frequency response and structural strain-free characteristic. The pressure-coupled sensor heads were connected to a simultaneous multipoint acoustic sensing system based on a tunable laser. An intelligent lasing wavelength stabilization algorithm capable of identifying the direction of spectrum movement, the wavelength shifting speed, and a fiber bending event was developed so that the simultaneous multipoint acoustic sensing system could be used in environments with rapid temperature variations. The lasing wavelength feedback control algorithm updated the lasing wavelength into the steep slope of the FBG spectrum even under conditions of rapid temperature change. The averaging lasing wavelength updating time was only 21 s because the system can decide a minimal size in scan window by finding the FBG spectrum shifting speed and direction in real time. The system was able to update the lasing wavelength which missed the steep slope of the FBG spectrum under maximum temperature variation rates 0.3014 and −0.3246 °C/s. The proposed system detected simultaneous impact waves at multiple points under conditions of rapid temperature change and change in dynamic strain.     

基于副载波调频技术的光纤光栅传感网络查询

分析了副载波调频技术用于光纤光栅阵列查询的基本原理。从理论上推算了系统的查询空间分辨率及查询范围,并结合波分复用技术进行了光纤光栅传感网络的地址查询演示实验,同时使用可调谐滤波器对每个光栅信号进行了解调。实验结果很好地说明了该查询方案的可行性,且在单个光栅上的被测应变与可调谐滤波器的控制电压呈较好的线性关系。该系统具备有查询由几百个FBG组成的传感网络的潜在能力。     

基于时分复用和窄波长扫描激光的长距离光纤布喇格光栅传感系统

提出了一种通过提高长距离光纤布喇格光栅传感系统容量,从而实现多传感点参量测量的新方法.采用时分复用、窄波长范围扫描激光方式,将多个中心波长相近的低反射率光纤布喇格光栅放置于系统的不同位置,构成准分布式光纤传感系统,实现了多个传感点参量的同时测量.同时提出了采用掺铒光纤和喇曼混合放大方法来延长传感距离.在系统的中间加入一个喇曼泵浦进行喇曼放大以此补偿光纤布喇格光栅反射的信号,系统末端的掺铒光纤利用前面喇曼泵浦剩余的泵浦功率产生自发辐射光并放大传感信号,使得整个系统的传感距离延长.实验证实：将三只中心波长均在1 580 nm附近,反射率均小于4%的光纤布喇格光栅,分别放置在系统的不同位置,在200 km处获得了15 dB的信噪比,反射信号明显|并且在200 km处的静态应变和温度实验中,线性度均达到了0.999以上.     

Quasi-distributed fiber Bragg grating sensor system based on a Fourier domain mode locking fiber laser

A novel quasi-distributed fiber Bragg grating (FBG) sensor system based on Fourier domain mode locking (FDML) fiber laser is proposed and demonstrated. The low reflectivity FBGs with the same Bragg wavelength are connected cascaded in a long fiber working as the sensing elements of the sensor system as well as the wavelength and cavity length selecting elements of the FDML laser. By adjusting the driving frequency of the FDML fiber laser, lasing with different selected cavity lengths will be achieved correspondingly. When the wavelength of the working FBG shifts which includes the sensing information, FBG interrogation can be realized both in wavelength and time domain.