基于变分模态分解的相位敏感光时域反射计信噪比提升方法

在页岩气开采过程中,基于相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR）的分布式光纤声波传感（DAS）系统是对水力压裂作业中产生的微震波进行监测的常用方案。为了提高Φ-OTDR系统测量振动信号的信噪比,提出了一种基于变分模态分解（VMD）和互信息（MI）的振动信号去噪方法,对数字正交（I/Q）解调得到的相位信号进行进一步处理,VMD层数K通过去趋势波动分析（DFA）计算的标度指数确定,相位信号的失真和噪声通过剔除MI法确定的非相关模态进行抑制。并搭建了相干探测Φ-OTDR系统验证VMD-MI方法的去噪效果,分别对500 Hz单频振动信号和500、1000、1500 Hz多频振动信号使用VMD、小波降噪（Wavelet）、经验模态分解（EMD）、自适应噪声完备集合经验模态分解（CEEMDAN）进行处理。实验结果表明,所提方法对振动信号信噪比提升最为明显,在Φ-OTDR系统中具有良好的实用性。     

分布式光纤声波振动传感系统研发及应用

针对油气田勘探开发需获取微声波信号完整波形的问题,开展了基于双脉冲外差调制与反正切外差解调方案的分布式光纤声波传感（DAS）技术研究与配套系统研发。通过特征参数室内振动模拟实验,新型DAS系统的响应频率范围20 Hz～25 kHz、最大动态范围60 dB、信噪比49 dB,满足微声波信号幅度、频率、相位等信息的探测需求。同时,该系统在新疆油田稠油热采井下蒸汽腔探测方面成功开展了现场应用,实测有效声压强度?195 dB,验证了系统的可靠性,具有良好的应用前景。     

相干多普勒测风激光雷达低信噪比区域回波信号的估计方法

相干多普勒测风激光雷达通常会采用周期图最大值法（PM）提取不同距离门信号的多普勒频移（对应风速）信息。由于噪声和相干效率的影响,个别距离门信号会出现信噪比（SNR）突然降低的情况,从而导致系统的探测概率降低,影响系统整体的探测性能。为了解决个别距离门信号多普勒频移的错误估计问题,提出了一种新的非线性自适应多普勒频移估计方法。该方法利用风速的连续性,标定错误距离门,并自适应地利用强信噪比区域的多普勒频移统计数据来弥补信噪比变差而出现的估计错误。分别利用了仿真模型和一套1.54μm全光纤相干激光雷达系统获得了风场测量数据,对比了使用该技术前后反演得到的风速趋势,证明该方法能够有效地解决上述问题。     

光纤压力传感器的性能研究

利用自制的全光纤马赫-曾德尔干涉仪,对压力引起的光功率的变化进行了测量和分析,给出了该系统相干检测最佳工作范围是5~13N,灵敏度为-0.130 0μW/N.在不同温度变化范围内,随着压力的增加,光功率分别以0.223 4μW/N到0.482 3μW/N的变化率减小.     

一种多模FP激光器BOTDR系统的建模分析

根据相干检测理论提出了一种基于多模法布里-珀罗激光器的光纤瑞利与布里渊散射自外差检测的布里渊光时域反射计传感系统,分析了该系统提高光纤受激布里渊散射阈值和瑞利与布里渊散射自外差检测的原理,推导出系统信噪比表达式,分析了纵模数与布里渊谱峰值功率、谱宽和系统信噪比、温度及应变测量准确度之间的关系,并进行了计算.结果表明,选用纵模间隔为0.141nm的多模法布里-珀罗激光器时,随着纵模数的增加,在25km光纤末端系统信噪比、温度和应变测量准确度均得到了较大提升,当纵模数为19时,温度和应变测量准确度分别达到最佳值3.81℃和86.69με.     

基于YOLOv5s模型的光纤振动传感事件精准检测研究

通过将双马赫-曾德尔干涉仪（DMZI）分布式光纤振动传感系统和四旋翼无人机（UAV）监测系统融合,设计了一种基于YOLOv5s模型的多类别光纤振动传感事件精准检测方案。首先,通过地面站QGroundcontrol将DMZI与UAV进行联动控制。其次,将二维振动信号时频谱与无人机捕捉的对应原始图像共同送入YOLOv5s卷积神经网络模型进行识别检测。最后,为验证所提精准检测方案的有效性和可行性,对5种常见的传感模式进行实际应用环境下的实验测试与分析。实验结果表明,所提出的精准定位检测方案对5种传感模式的平均精度均值（mAP）可达96.6%,并且其平均识别检测时间可控制在5 ms内。     

振动对星间相干激光通信的影响

针对星间相干激光通信中卫星平台的振动造成发射天线和接收天线的瞄准角误差，使系统信号信噪比下降，误码率 (BER)增加，该文以瑞利分布作为振动造成的瞄准角误差模型，结合高斯本振光和艾里信号光外差检测模型，以PSK零差通信体制为例分析卫星振动对系统的瞬时误码率和平均误码率的影响，给出误码率仿真计算结果。指出接收天线瞄准角误差对星间光通信质量影响很大，在瞄准角误差的标准偏差σ小于1μrad范围内，系统误码率小于10^-6。     

提高白天观测星体信噪比的方法研究

 为提高对天体目标的检测概率，对多种可提高探测器检测概率的途径进行了研究。研究结果表明：光谱滤波技术能有效提高信噪比。为得到大的探测对比度和信噪比，需合理选取探测系统视场，应保证目标像所占像素个数不小于2×2；还应令系统在不加衰减器的情况下，电荷耦合器件（CCD）接近饱和并保证CCD不饱和。结合探测系统视场的选取，利用形态学方法对图像进行处理，将大大提高探测信噪比，从而大大提高检测概率。     

基于FBG-FPI光纤传感器的岩石含水率光纤超声检测

提出了一种基于光纤超声传感技术的岩石含水率检测新方法。在实验中,以压电换能器（PZT）发出的1 MHz超声波作为声源,采用超声波透射法,通过刻写在细芯光纤中的一对光纤光栅检测岩石的超声波信息（包括时域以及频域的结果）,并与相同条件下的PZT接收结果进行比较。随着岩石含水率的增加,光纤传感器表现出与PZT相似的响应趋势,且测得的含水率绝对偏差较小,充分证明了光纤探测岩石含水信息的可行性和优越性。     

基于外差干涉的微振动测量技术研究

针对外差干涉的微振动测量存在稳定性低、严重受环境噪声影响等缺点,提出了对光路的改进方案。根据差分原理将其改为双光路,消除环境噪声的干扰;通过偏振分光棱镜（PBS）将椭圆偏振光变为线偏光,提高干涉信号幅值;改进频移装置(AOM),抑制频率漂移;增加光阑,滤除杂散光,提高系统信噪比。通过探测5 kHz压电陶瓷振动信号,以及2.5 MHz高频激光超声信号进行实验验证,结果表明:信号稳定且无纹波,系统分辨率为2.3 nm,信噪比提高16.7倍。两路干涉信号幅值分别为552 mV和736 mV,较传统外差干涉信号幅值提高近10倍,有利于纳米量级微振动信号的检测。     

光纤加速度传感器研究进展

光纤加速度传感器与传统加速度传感器相比，不但能抗电磁干扰，而且体小、质轻、动态范围宽、精度高、能在恶劣环境下工作，因此受到各先进国家军事与商业领域的极大重视，各种实用的光纤加速度传感器不断涌现。主要有光强调制型和相位调制型两大类。光强调制式有反射式、透射式和偏振式等等。相位调制式有Ｍａｃｈ－Ｚｅｎｄｅｒ干涉仪、Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ干涉仪和Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ干涉仪。有一维的，也有二维的；有与水听器组合在一起的，也有与光纤陀螺仪组合的光纤加速度传感器。最小的已经做到２．５ｃｍ长，直径仅０．２５ｍｍ；测量精度已能达到１μｇ；共振频率可达到１０ｋＨｚ。为了克服温度不稳定性对测量精度的影响，人们采用了３×３耦合器解调法，双光路法，由单臂式改成推挽式等。一旦关键技术得以克服，光纤加速度传感器将会在惯性导航和其它领域发挥更重要的作用。本文将分别介绍目前各种类型光纤加速度传感器的结构、特点、走向实用化存在的问题。     

椭芯光纤干涉型多参量光纤传感技术

本文提出用椭圆纤芯高双折射光纤偏振干涉和双模干涉结合的双技术四参量以及双模干涉多参量同时测量的传感理论和实验原理，对交叉灵敏度作了分析，同时给出了误差分析，并结合理论模型对灵敏度矩阵的状态作了粗略估计。初步结果为：（１）灵敏度矩阵条件数不太大，可以采用迭代改善方法解线性方程组得到较好的解；（２）双模干涉传感器的灵敏度比偏振干涉传感器的灵敏度高两个数量级。     

光纤光栅锈蚀传感器在不同湿度下的特性研究

钢结构的锈蚀监测对于钢结构安全的早期预警非常重要.本文提出了一种制备布喇格光纤光栅锈蚀传感器的方法,并研究了该传感器在不同湿度环境下的传感规律.结合磁控溅射和电镀的方法在光栅侧表面制备了Fe-C合金传感膜|利用扫描电子显微镜观察其侧表面形貌|检测在相对湿度60%和99%下中心波长的变化,进而分析该光纤光栅探头在不同湿度下的传感规律.实验和数据分析结果表明:在相对湿度为60%时,锈蚀进程缓慢,随着时间的推移波长呈线性化增加|相对湿度达到99%时光栅光谱出现多峰现象.据此得出:一定湿度条件下,该传感器可监测锈蚀进展|当环境湿度较高（达到99%）时,该传感器可用于锈蚀出现的早期预警.     

基于近邻轨道平均长度的混沌时间序列分类方法

在混沌时间序列的复原图（recurrence plot, RP）基础上，提出了两混沌时间序列的相干复原图（cross recurrence plot, CRP）的定义，并在CRP上提取出两时间序列在同一重构相空间中演化趋势接近的轨道的平均长度（近邻轨道平均长度），最终实现对混沌时间序列的分类.通过对Lorenz信号的分析，得出两时间序列的近邻轨道平均长度随着它们的重构轨道在相空间中的演化相似性的减小而减短；通过本方法与Schreiber提出的相干预测误差分类方法对心电信号（ECG）的节律变化的检测实验，得 关键词： 时间序列分类 复原图 相干复原图 近邻轨道平均长度 相干预测误差     

基于双光子聚合3D打印的光纤法珀微波导腔制备及传感特性研究

将光纤法布里-珀罗（法珀）微腔与微波导相结合,提出一种光纤法珀微波导腔高灵敏度折射率传感器。光纤法珀微腔可以将光场限制在微米量级的区域内,并对腔内的微波导结构起支撑保护作用;微波导在保证结构良好导光能力的同时,基于其强倏逝场特性,进一步提升整体结构的折射率灵敏度。此外,基于飞秒激光双光子聚合高精度3D打印技术,可实现波导直径仅为2μm的光纤法珀微波导腔,并保证良好的制备重复性。实验结果表明：随着光纤法珀微波导腔传感器腔内液体折射率的增加,传感器的干涉光谱发生蓝移,在1.3346～1.3764折射率范围内灵敏度可达525.81 nm/RIU,与仿真获得折射率灵敏度（555.14 nm/RIU）结果接近;该传感器还展现了优良的线性响应特性,线性拟合系数可达0.9948;相比于传统无微波导的光纤法珀微腔结构,干涉光谱峰值提升了8.2 dB,折射率灵敏度提升了近4倍。     

灵敏度增强的非重复瞬态弱信号光学感知

提出了一种噪声下非重复瞬态弱信号感知灵敏度增强方法。在双相干光频率梳（OFC）频谱克隆接收系统的基础上,利用声光频移器和光耦合器分别对本振OFC和信号OFC进行多路复制,使得瞬态弱信号频谱被分割的子信道成倍增加。在接收端灵敏度范围内,各子信道频谱被下变频至同一中频,并在频域中同步累加,累加后瞬态信号的感知信噪比（SNR）以倍数增加。利用梳齿个数为9的频谱克隆接收机对带宽为18 GHz的瞬态噪声信号进行感知,当本振OFC和信号OFC进行1、2、3路复制时,瞬态信号的感知灵敏度增益分别提升至12.63 dB、14.04 dB、15.43 dB。与双相干OFC频谱克隆接收结果相比,所提结构的SNR提升了3.0 dB、4.5 dB、5.9 dB,并进一步讨论了分路损耗对SNR改善比的影响。所提方案基本上不增加OFC生成模块的复杂度和频谱覆盖范围,实现了SNR倍增式增强。     

芳纶纤维复合材料对激光的吸收特性研究

 利用双积分球光电管系统实验研究了不同厚度的芳纶纤维复合材料在不同强度的1.06μm激光辐照下（低于烧蚀阈值的激光强度）的反射和透射特性，在材料厚度一定时，反射率随着激光功率密度的增加而增加，透射率则呈现指数衰减；激光功率一定时，反射率随着材料厚度的增加而增加，透射率则呈现衰减。通过反射率和透过率可以确定出表面吸收和体吸收的激光能量份额。     

位移损伤诱发CMOS图像传感器电荷转移损失退化的理论模拟研究

以4T PPD（4个晶体管的钳位光电二极管）型CMOS图像传感器为研究对象，开展注量为1×10¹¹,3×10¹¹,5×10¹¹,7×10¹¹,1×10¹² neutron/cm²的中子辐照下损伤模拟的研究，建立CMOS图像传感器的器件模型和不同注量中子辐照后位移损伤的缺陷模型；采用相关双采样技术测量由亮到暗连续两帧时序脉冲下浮置节点（FD）的输出值，建立测量电荷转移损失（CTI）的模拟方法；获得CTI随中子辐照注量的变化关系，分析CTI随中子累积注量的变化规律，结合中子辐照效应实验验证中子辐照诱发CTI退化的理论模拟计算结果的有效性。研究结果表明，CMOS图像传感器的位移损伤敏感区域为空间电荷区域，中子辐照后会在空间电荷区中引入位移损伤缺陷，这些缺陷通过不断俘获和发射载流子，使信号电荷不能快速转移到FD中，造成电荷转移损失；电荷转移损失随着中子辐照注量的增加而增大，二者在一定范围内呈线性关系。     

长江口与杭州湾海区水底浮泥地声模型及其声反射特性研究

通过在现场和实验室分别对长江口与杭州湾海区水底浮泥重度ρ随深度变化规律以及声速C与声衰减常数β等浮泥声学参数随ρ及声波频率f的变化规律的测量和分析，得出了这个海区水底浮泥层的地声模型。其主要特点是：重度ρ（kN／m3）在10．1到15．0的范围内，随着深度线性增加，但在12．5左右处线性增加的梯度（斜率）有一个突变（拐点），ρ大于15．0以后，ρ随深度的递增加快，即浮泥层很快过渡到硬性泥层或沙层；声速c（m／s）随ρ增大的变化不明显（在±1．5％以内），但在ρ为14．0附近存在一个最小值；声衰减常数ρ（dB/m）则分别随ρ和f（kHz）线性增加。根据实测的地声模型，通过理论计算，对长江口和杭州湾海区水底浮泥层的声反射信号进行了正演模拟研究，得到了在拐点处出现的声反射特性预射波的幅度和极性）与梯度变化的关系，为解决浮泥层重度的回声探测问题提供了依据。     

H2SiCl2 中 SiH 伸缩振动的泛频光谱

在2000 ～ 9000 波数 、 12000 ～12900 波数的光谱区间记录了室温下H2SiCl2气体分子的振动泛频光谱，所用的仪器分别是高分辨傅立叶变换光谱仪和高灵敏激光腔内吸收光谱仪。用局域模模型和包含达林－丹尼生共振的简正模模型，归属了SiH伸缩振动的基频和泛频，振动量子数的改变△VSiH=1, 2, 3, 4 and 6。通过对实验能级的非线性拟合，得到SiH伸缩振动的谐振频率ωm、非谐性常数χm、键间耦合系数λ、莫尔斯振子参数 De、α 和相互作用力常数 。实验发现，随着振动能量的增加，振动簇（manifold，两个SiH键的伸缩振动量子数m+n=常数 ）中能量最低的两个能级的间距逐渐减小。当△VSiH≥4时，在实验误差范围内这两个最低的振动态能级简并。这种简并的能级结构类似双原子莫尔斯振子，符合Birge-Sponer 关系。双原子莫尔斯振子直接描述了H2SiCl2分子中SiH 的高泛频伸缩振动，表明在高振动情况下振动能量已经集中到单个SiH键上。