冲击定位可为结构冲击损伤提供准确的位置信息。基于光纤布拉格光栅(FBG)传感器存在解调频率低、需要训练样本等缺点,提出了一种利用光纤Sagnac传感技术实现结构冲击定位的方法。基于此方法的传感系统主要由宽带光源、光纤Sagnac干涉仪、光探测器以及数据采集与处理单元构成。当粘贴在结构表面的传感探头受到冲击应力波作用时,Sagnac干涉仪相位受到调制,从而导致输出的光强发生变化,通过光探测器将光信号转换为电压信号输出。首先,对传感系统采样的时域信号进行小波降噪和去直流干扰处理,再利用Db4小波包进行能量特征提取与信号重构,并获取应力波到达2端的传感器的时间,最后利用时差法进行冲击定位。为了验证该冲击载荷定位系统的有效性,对长度为100 cm的钢管结构进行了35次低速冲击实验。结果表明,该方法可以有效地识别冲击位置,最大定位误差和最大均方根误差分别为0.65 cm和0.36 cm。研究结果可为结构冲击定位提供另外一种可靠的方法。

针对分子生物学与环境监测领域高灵敏度特异性检测需求, 提出一种基于反射光谱特征辨识的单端反射式光纤折射率传感器模型, 并给出了这种基于多模干涉原理的单模光纤-无芯光纤(Single mode fiber-No core fiber, SM-NCF)串接结构传感机理及其理论模型。 无芯光纤实质上是一种结构特殊的多模光纤, 在实际应用中无芯光纤结构本身作为纤芯, 外界环境介质当作包层, 构成光波导结构。 这与普通多模光纤相比, 不需要采用氢氟酸对多模光纤的包层进行化学腐蚀, 不会降低光纤的机械性能, 也不会破坏芯模传输条件, 可以更好的实现对周围环境折射率的传感监测。 当无芯光纤所处外界环境折射率发生改变时, 其波导结构和包层有效折射率均会发生改变, 从而引起传输光信号的纵向传播常数和模场分布也会随之发生改变, 最终导致不同波长对应传输光功率的变化。 上述效应反映在反射光谱上, 即干涉波谷对应的谐振波长、 波谷峰值强度以及半波宽度发生相应变化, 通过辨识该反射光谱特征就可实现对外界环境折射率的测量。 借助光束传播法(BPM), 数值模拟得到无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离时的SM-NCF内部光场能量分布规律, 并制作了无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离的SM-NCF光纤折射率传感探头, 将作为传感区域的无芯光纤一端与标准单模光纤熔接, 采用磁控溅射技术在无芯光纤另一端面镀上金膜, 用以提升反射光谱强度。 在此基础上, 搭建了基于SM-NCF终端反射型的光纤折射率试验系统, 并开展了相关实验研究。 研究结果表明, 当无芯光纤长度是15 mm(自映像距离)时, 随着液体折射率从1.331 5依次增大至1.390 2, SM-NCF反射光谱逐渐向长波方向偏移, 其反射峰谐振波长对应的折射率灵敏度约为197.57 nm·RIU-1, 相关系数为0.93; 反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势, 其折射率灵敏度约为-62.80 dB·RIU-1。 当无芯光纤长度是20 mm(非自映像距离)时, 随着液体折射率依次增大, SM-NCF反射光谱呈现明显双峰现象, 且均逐渐向长波方向偏移, dip2谐振峰波长折射率灵敏度约为133 nm·RIU-1, 相关系数为0.96; 反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势, 其折射率灵敏度约为-31.66 dB·RIU-1。 对比分析可知, 不论是从反射峰谐振波长偏移的角度, 还是从反射峰值强度的角度, 自映像距离长度对应的 SM-NCF终端反射型光纤传感器均具有较高灵敏度。 对于相同折射率液体环境, 非自映像距离长度对应的SM-NCF反射光谱半波宽度与自映像距离长度相比, 呈现显著变窄趋势。 相对于SMS透射型传感结构, 当传感区域长度相同时, SM-NCF反射型结构能够实现对光波信号的往返两次调节。 这种终端反射型SM-NCF传感器改进了传统透射型折射率传感器不便与待测液体相接触的缺点, 具有结构简单、 易于制作、 抗电磁干扰能力强以及便于远程遥测等优点, 能够为后续生化与环保监测领域研究应用提供有益支持。

针对航天领域复合材料结构在空间服役环境的热响应监测需求, 研究了一种热载荷作用下基于光纤Bragg光栅（FBG）反射光谱特征分析的碳纤维蜂窝夹芯结构监测方法。 将光纤Bragg光栅传感器分别植入碳纤维蜂窝夹芯结构的不同铺层, 通过监测不同热载荷下各铺层位置的光纤光栅反射光谱, 得到碳纤维蜂窝夹芯结构相关铺层位置热应变特征。 研究表明, 碳纤维蜂窝夹芯结构不同材料铺层的热应变特征存在一定差异。 植入外蒙皮表面与玻璃布之间的光纤光栅反射光谱随着温度升高, 中心波长向长波方向漂移, 且波形未出现明显改变。 埋植于外蒙皮第二、 三层碳纤维织物预浸料之间的光栅反射光谱随着温度降低逐渐出现旁瓣、 多峰等啁啾效应, 其主峰与右侧次峰中心波长均向短波方向逐渐漂移, 主峰峰值幅度变化较小, 温度灵敏度约为5.56×10-3 dBm·℃-1, 而右侧次峰幅度显著增大, 温度灵敏度约为40.32×10-3 dBm·℃-1; 埋植于内蒙皮和蜂窝芯子之间的光栅反射光谱随着温度降低, 其半波峰带宽逐渐增大, 变化率约为3.19 pm·℃-1, 且出现显著多峰趋势, 这是由于层间热应力分布不均匀所形成。 在-70~+60 ℃温度范围, 各植入层热应变均随温度升高而增大, 且变化趋势相接近, 而在+60~+120 ℃温度范围内, 各植入层热应变变化趋势呈现显著差异。 这些特性能够为后继空间环境复合材料航天器结构状态在轨监测提供有益帮助。

针对飞行器机载环境多参量综合测试需求, 研究了一种基于反射光谱特征辨识的光纤布拉格光栅(FBG)气压与温度集成监测方法, 给出了基于膜片式结构的双参量传感机理及其理论模型。 采用基于耦合模理论的OptiGrating软件, 得到不同气压与温度条件下光纤布拉格光栅传感器仿真反射光谱。 在此基础上, 借助弹塑性和恢复性能优良的平膜片感压机构, 构建了膜片式双光纤气压/温度集成监测模型。 研究表明, 恒温条件下应变传感光纤光栅反射光谱随气压增加而逐渐向短波方向偏移, 其中心波长灵敏度约为0.803 0 nm·MPa-1, 且反射谱主峰及其旁瓣峰值均随气压变化呈现良好线性关系; 当气压恒定而温度变化时, 处于仅感温不受力状态的温度传感光纤光栅反射光谱中心波长灵敏度约为9.39 pm·℃-1; 当气压与温度交叉变化时, 能够实现对变温条件下的微小气压变化实时监测。 传感光纤光栅受非均匀应变效应反射光谱存在一定啁啾现象, 其反射光谱旁瓣峰值波长随环境温度、 气压变化均会发生偏移, 具有良好线性关系, 且在不同气压下反射光谱对应的同一阶数旁瓣峰值幅度相等。 该研究能够为航空航天器系统多物理参量在线综合测试提供有益帮助。

针对航空航天领域铝合金结构服役过程腐蚀监测需求, 提出了一种基于铝质细管结构的预载荷型光纤光栅腐蚀传感器。 给出了铝合金结构腐蚀在役监测机理, 得到光纤光栅反射光谱特征与铝质细管厚度变化之间的理论关系模型, 构建了酸碱环境下的光纤光栅腐蚀监测试验系统。 通过在细管内部配置不受力且仅感受温度变化的光纤光栅传感器, 解决了被测目标的温度与应力交叉敏感问题。 研究表明, 这种铝质细管封装设计不仅可以感受腐蚀对其力学性能的影响, 还能够屏蔽外界腐蚀因素对管内光纤感知器件的干扰。 随着金属管腐蚀程度加深, 其管壁逐渐变薄, 光纤光栅反射光谱逐渐向短波长方向偏移, 且管壁厚度变化与光栅中心波长偏移量之间呈较好单调关系。 这些特性能够为进一步开展基于光纤感知器件的机械结构在役腐蚀监测研究提供有益帮助。

针对多主体协作健康监测系统中光纤传感网络链路故障，提出了一种基于光开关和图论的光纤传感网络自修复方法。研究采用图论相关理论表述含光开关光纤传感器网络链路的连通情况，据此研究了光纤传感网络出现链路故障时光开关的切换策略，实现对失效光纤布拉格光栅（FBG）传感器信号的自修复。以航空铝板结构试验件为实验对象，针对光纤传感网络典型链路故障，对基于光开关和多主体协作的光纤传感网络自修复效果进行了对比实验。实验结果表明：在光开关和主体协作下，识别精度较没有修复时识别精度提高10.02 mm，仅比网络结构完好时识别精度降低3.61 mm，有效提高了载荷识别精度以及光纤传感网络的可靠性。

针对光纤布拉格光栅(FBG)传感器监测飞机机翼盒段试验件上的静态载荷，对多主体协作技术实现结构健康监测中光纤Bragg 光栅传感器网络的自修复性进行研究。当某个主体的光纤Bragg 光栅传感器发生故障时，首先，传感主体依据采集到的传感器信号利用支持向量回归机算法对外部载荷位置进行预测，然后系统协作主体对两个主体的预测结果进行协作，共同对故障传感器信号进行修复，最终获得损伤位置的识别结果。研究表明：多主体协作之后的损伤位置平均识别精度比单独采用任何一个主体的平均识别精度都高，可以对失效传感器信号进行一定的补偿、修复。

为了实现海底光缆故障的检测与定位,采用环形M-Z(Mach-Zehnder)干涉结构建立分布式光缆检测系统,利用两路干涉输出的时间差实现定位功能。阐述了该分布式光缆检测系统的组成及工作原理。使用Optisystem软件进行仿真分析,验证系统可行性。利用互相关时延估计法直接在时域上对信号进行处理获得定位结果。理论分析和测试结果表明,该系统能够快速、有效地实现扰动事件的检测与定位,平均定位误差最大为16.5 m。

理论推导了双折射光纤环镜波长变化与轴向应变的公式, 研究表明: 双折射光子晶体光纤环镜轴向应变灵敏度比传统双折射光纤环镜大为减小。 通过监测双折射光子晶体光纤环镜波长的变化, 来实现轴向应变的测量就变得较为困难; 且输出干涉光谱局部呈凹凸不平, 波长监测容易导致数据测量误差。 实验监测双折射光子晶体光纤环镜应变光谱, 对应变光谱分析发现: 随着应变增加, 监测波峰下的绝对积分呈现减小的趋势。 进一步精确计算分析发现: 监测波峰下的绝对积分与应变成线性关系。 基于此, 提出了通过监测波峰下的绝对积分的变化, 来实现轴向应变的测量。 波峰下的绝对积分是表征各波长光强的综合性能指标, 通过监测波峰下的绝对积分的变化, 来实现轴向应变的测量, 不仅可以克服双折射光子晶体光纤环镜监测波长变化的困难, 而且还可以克服波长监测局部寻优导致的测量误差。

为了研究双折射率对双折射光纤环境轴向应变灵敏度的影响，选取双折射应变系数相同，双折射率不同的双折射光纤，通过数值模拟得到轴向应变灵敏度随双折射率变化的趋势。模拟结果表明轴向应变灵敏度随着双折射率增加而减小。实验选取不同双折射率光纤构建光纤环境轴向应变传感器，进行应变灵敏度对比实验，将获取的双折射率、轴向应变灵敏度数据进行曲线拟合，实验拟合曲线与仿真曲线呈现良好的一致性。结果表明，选择双折射率较小的双折射光纤作为敏感元件可以提高双折射光纤环境轴向应变灵敏度，但是双折射率存在一定下限，否则将产生微弱的干涉光谱而无法进行轴向应变测量。