为了实现海洋水位实时监测以进行有效的海啸预警, 提出了一种全光纤干涉式水位传感系统.针对海洋水位变化范围大、变化速度快的特点, 采用基于双准直器对准的改进式干涉结构和线性调频相位解调方法, 以实现对海洋水位值的大量程、高精度、快响应测量.实验结果表明该水位传感系统的可测量程为0~109.14 m, 测量精度达±1 cm, 可实现0.01 s的响应时间, 具有较好的实时性.该系统对海洋水位监测、海啸预警具有十分积极的意义.

为有效地预防、控制海上溢油事件对经济和海洋生态环境造成的严重影响, 针对不易被早期发现的小面积溢油, 结合表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)传感技术的实时性、灵敏度高、样品消耗少等特点, 提出了一种新颖的小型海上溢油监测系统。具体而言, 根据所采用的非扫描角度调制模式下的四层Kretschmann型棱镜耦合传感结构和原油样品折射率变化范围, 通过MATLAB仿真确定传感装置中各元件最优参数和相对固定位置, 得到理论检测灵敏度为6.094×10-5 RIU。依仿真结果搭建实验装置, 对蔗糖溶液和原油样品进行了实验分析。实验表明: 蔗糖溶液检测灵敏度与理论仿真灵敏度同数量级, 达到9.017×10-5 RIU, 证实实验装置有效, 原油检测结果符合SPR响应趋势, 验证了该系统方案的可行性。

基于扫频激光器和马赫-增德尔干涉结构的光纤传感系统, 针对扫频激光器的频率步进不够精细导致干涉臂长差解调结果不精确的问题, 提出了一种相似性解调方法.该方法通过在频率步进范围内进一步细分, 构造相应细分值的模拟函数, 与采集到的干涉信号进行相似性对比, 相似性最大时所对应的模拟干涉臂长差即为精确结果, 并通过仿真与实验验证了该方法的可行性.实验表明该系统中干涉臂长差的解调范围为2~17 mm, 该范围内解调结果最小分辨率为1 μm, 可以达到测试量程万分之一的分辨率, 且抗干扰能力强、精度高, 可实现信噪比大于6.87 dB时信号的解调.根据解调原理, 在不强调实时性的应用中, 可以通过提高细分的精细度, 进一步提高系统分辨率.

基于相位敏感的光时域反射系统(Ф-OTDR)是一种新型的分布式光纤扰动传感系统。随着应用需求的不断细化, 单纯对外部侵扰活动的检测及定位已无法满足实际需要, 亟待对检测到的信号进行准确的分类识别。在检测到侵扰信号的同时, 如何能准确判别入侵事件的类别, 减少误报率和漏报率是分布式光纤扰动传感系统研究的关键问题。文中主要针对分布式光纤扰动传感系统的原理进行了简要的介绍, 将现有的扰动信号特征提取的方法和分类器设计的方法进行归纳和分类, 并对识别结果进行总结和对比以方便研究人员根据应用环境的差异以及待测信号的特征, 准确选择适合的信号模式识别方法, 促进研究人员对分布式光纤扰动传感系统模式识别方法进行更为深入的研究。

为了提高光纤布喇格光栅(FBG)解调系统的稳定性和准确性, 避免由于压电陶瓷的迟滞性、蠕变性以及温度变化引起的法布里-珀罗(F-P)滤波器驱动电压与透射波长不成线性的问题, 采用了可调谐环形腔激光器作为扫描光源, 与F-P标准具、温补参考光栅、传感光栅3个单独的通道结构相结合的FBG解调方法。通过理论分析和实验验证, 选择中值滤波加滑动平均滤波的方法滤除噪声, 采用基于强度阈值的频谱相关寻峰算法更加准确地找到反射谱峰值的位置。结果表明, 每个通道单独分开的解调方案的波长长期稳定性可达0.4pm, 温度与波长的线性度高于99.90%。该系统能够实现对温度、应变等参量的稳定性的测量。

对相位敏感光时域反射系统数字正交解调算法进行了研究。分析了正交解调算法中数字滤波器群延时对系统定位精度的影响, 提出采用重定位方法矫正定位误差; 同时, 研究了系统空间分辨率受正交解调算法中数字滤波器的影响, 并通过仿真和实验,验证并分析了上述问题。结果表明, 重定位方法可消除正交解调算法中数字滤波器造成的定位误差, 系统空间分辨率由系统结构与数字滤波器共同决定, 且由数字滤波器决定的空间分辨率随数字滤波器阶数的增加而增加。实验中解调选择112阶滤波器较佳。