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。     

基于宽谱光源的光纤传感波长解调系统的研究

研究制作了基于宽谱光源的光纤传感波长解调系统, 以多光纤光栅作为波长参考基准、采用可调谐光纤法布里-珀罗(F-P)滤波器作为波长扫描器件。系统中采用三次多项式拟合的方法对滤波器锯齿波的扫描电压与透射波长关系曲线进行非线性拟合, 解决可调谐光纤F-P滤波器的电压—波长非线性关系对系统测量带来的较大误差问题, 实现波长的高精度解调。采用五光纤光栅做波长参考, 单根光纤光栅传感器的解调实验结果表明：待测光纤光栅布拉格波长短期测量分辨率为3.5 pm, 长期测量稳定性为7 pm。采用该系统对光纤非本征法布里-珀罗干涉型(EFPI)应变传感器的测试结果表明, 测量应变灵敏度为2.41 nm/με, 并且应变和波长之间存在良好的线性关系, 线性相关度达到0.99991。     

利用调谐滤波技术的光纤光栅复用传感器

采用光纤光栅悬臂梁线性调谐技术 ,提出了利用调谐滤波技术对光纤光栅复用传感信号进行检测的方案 ,在分析其基本工作原理的基础上 ,实验研究了其波分复用传感特性 ,传感测量的结果与光谱分析仪直接测量的结果基本一致。传感器的波长分辨率主要取决于系统的最小可探测光功率 ,由于采用了高灵敏度的光电测量系统 ,传感测量的波长分辨率可达 0 .0 0 5nm ,应变分辨率可达 5.7× 10 - 6 。     

基于粗时分复用技术的光纤光栅传感系统研究

充分利用光纤光栅传感网络的频域和时域资源,综合考虑了光栅传感环境特点、传感点铺设和维护等因素,提出了一种新型的基于粗时分复用的TDM/WDM光纤传感网络设计方案。先按时分复用方式将光纤传感环境划分成不同时延的传感域,再将域内传感点按波分复用方式进行波分复用,并结合网络拓扑结构分析了网络中的影响测量结果的主要因素。方案引入了传感域和时延容差概念,可以放宽对传感点精确位置的要求,可对传感网进行分域管理,便于替换死亡的传感器,更加方便、简洁地实现大容量光纤光栅传感系统,可依据器件具体情况灵活分配传感域内域外的传感器复用数,使每个传感单元的传感成本显著降低。     

分布式光纤布拉格光栅解调系统

提出并实现了一种可满足工程实用要求的分布式光纤布拉格光栅解调系统。该系统通过可调谐光纤F-P滤波器的连续扫描实现波长信号的解调。该传感系统扫描带宽50nm,单点工作带宽5nm,对一股应用系统每根单纤可设20∽30个点,分辨力5pm。     

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.     

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。     

光纤光栅多参数桥梁结构监测系统的研究

从土木工程应用的实际情况出发,利用光纤光栅传感器具有波长绝对编码和易于复用的特点,提出工程化同时测量温度、应变和压力的全光栅型低成本分布式传感方案。设计了基于连续波调频技术的光纤光栅多参量桥梁结构监测系统,将光频域反射复用与波分复用技术相结合,实现分布式光栅传感网络的寻址,提高了系统复用容量。实验表明：所设计的传感系统能够准确监测结构重要部位的内部应变及车流量等参数,为桥梁结构的静、动载测试提供了准确的数据,同时也为桥梁的工作状态评估和健康诊断提供了依据。     

光纤光栅复用温度传感研究

提出了一种基于匹配光栅调谐光纤激光器波长扫描寻址的新光纤光栅复用传感解方案,理论上分析了系统的响应特性,实验上完成了三光栅复用温度传感,实验结果与理论值相一致。     

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。     

基于窄线宽扫频光源的高分辨率阵列式光纤光栅温度传感系统

高精度温度传感器在地球物理、海洋科学、石油化工等领域具有广泛应用。针对传统光纤光栅温度传感器分辨率较低的问题,提出一种基于光纤光栅的高精度多点复用温度传感系统,该系统采用封装好的不同中心波长的π相移光纤光栅作为温度敏感单元,以扫频激光器和波分复用技术检测各光纤光栅谐振波长,并引入氰化氢标准气体吸收室作为波长参考,用非平衡马赫-曾德尔干涉仪补偿光源扫频过程中的非线性,以提升波长测量精度。实验实现了对10个温度传感探头的同时探测,温度分辨率达到10^-4℃水平,测量范围达到0～100℃。该光纤光栅温度传感系统在高精度温度测量领域具有广阔的应用前景。     

基于可调谐半导体激光器的高分辨率多路复用光纤光栅波长解调系统

构建了一套高分辨率的可复用光纤光栅波长解调系统.采用波长调谐范围为1 546nm至1 558nm的紧凑型可调谐半导体激光器作为光源,来提高系统的紧凑性、波长分辨率以及响应速度,加入标准气室作为波长基准以提高系统的长期稳定性.使用多个电极电流共同调谐的办法,实现了在12nm范围内半导体激光器波长分辨率高达1pm的准连续波长扫描.利用重心算法提高光纤光栅中心波长的解调精确度和稳定性,并对解调过程进行模拟.解调系统的波长分辨率优于1pm,精确度接近2pm.整个光纤布拉格光栅温度传感系统在1 550nm附近实现了0.1℃的温度分辨率.     

基于OFDR/WDM的光纤光栅传感网络研究

应用光频域反射复用技术与波分复用技术,解决了光纤光栅传感网络的寻址问题;使用可调谐滤波器,实现了复用信号的解调;具体地分析了光频域反射复用技术的基本原理,从理论上推算了系统的空间分辨率和测量范围,并进行了3×3光栅阵列传感网络的实验研究. 该方案充分利用了光信号的频率和波长信息,在光源功率足够大的前提下,显示出新设计的传感网络具有寻址和解调几百个光栅信号的潜在能力,在大型建筑设施分布式二维或三维应力监测中有很好的应用前景.     

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。     

长周期光纤光栅:原理、制备与应用

较全面介绍了长周期光纤光栅。对比Bragg光纤光栅说明了长周期光纤光栅的特点。对其耦合机理进行了分析 ,阐明了波长选择损耗特性。介绍了长周期光纤光栅的制备方法 ,大致分之为基于非形变的制备方法和基于形变的制备方法。详细阐述其在通信、传感领域的应用 ,尤其是新型应用 :带通滤波、光上下路复用、光纤光源、偏振器件、新型传感等。并针对长周期光纤光栅对温度、应力、外部折射率敏感的特性 ,探讨了调谐性以及温度稳定性的方案     

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。     

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。     

基于最小二乘支持向量机和多参考光栅的可调谐滤波器解调误差动态补偿

可调谐法布里-珀罗（F-P）滤波器的磁滞和温度漂移是限制其解调精度的重要因素。现有研究很少考虑同时对磁滞和温度漂移进行动态补偿。针对光纤布拉格光栅（FBG）解调误差,提出了一种基于最小二乘支持向量机（LSSVM）的动态补偿方法。考虑到参考光栅与传感光栅的反射光谱经过可调滤波器后具有相似的漂移特性,将多个参考光栅的波长漂移作为LSSVM模型的输入特征,以预测传感光栅的反射光经过可调滤波器后的波长漂移误差。在单调降温和先降温后升温的数据集上分别对所提方法进行了验证,实验结果表明：当未引入参考光栅作为模型特征时,两个数据集的补偿后最大绝对误差分别达到33.65 pm和69.25 pm;在引入参考光栅作为模型特征后,补偿后的最大绝对误差分别降至3.63 pm和7.84 pm,即所提方法在不同温变模式下均有效提高了F-P滤波器的解调精度。     

光纤光栅法布里-珀罗腔的V-I传输矩阵法研究

快速有效地获得多级联光纤光栅法布里-珀罗(F-P)腔的光谱特性,是优化设计基于上述结构建立的级联多波长激光器、放大器等各种光器件以及复杂分布式传感网络的重要基础和保障.将V-I传输矩阵法用于光纤光栅F-P腔反射光谱特性的分析,并建立了V-I传输矩阵模型.采用该模型对三种不同结构的光纤光栅F-P腔在不同参数下的光谱特性进行分析,并与传统多层膜法的分析结果相比较,表明V-I传输矩阵法能够在保证分析精度的前提下大大节省运算时间.实验结果表明,V-I传输矩阵法对光纤光栅F-P腔谱特性的分析结果比耦合模法更准确.     

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。