1 太原理工大学电子信息与光学工程学院，山西 太原 030024
2 太原理工大学物理学院，山西 太原 030024
3 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西 太原 030024
提出了一种基于多阶时域差分重构相关法的拉曼分布式光纤传感技术。该方案利用混沌信号、放大自发辐射（ASE）信号和噪声信号代替传统脉冲激光作为传感信号，基于多阶时域差分重构方法重构拉曼反斯托克斯散射信号，以此剥离出各个传感光纤位置点携带探测信号时序随机起伏特征的光强信息。最后基于相关压缩解调方法，揭示了拉曼散射温度调制光场空间位置与探测信号的相关特性。从理论上将时域差分重构方法推广至任意阶数，分析了差分阶数对传感系统信噪比的影响，并分析了面向混沌拉曼分布式光纤传感技术的最优差分阶数。研究了混沌信号、噪声信号、ASE信号这三种信号作为探测信号时拉曼传感系统的数值模拟情况，结果证明了拉曼光纤传感领域混沌信号在动态范围与信噪比方面具有显著优势，为长传感距离、高空间分辨率和高信噪比拉曼分布式光纤传感技术提供了新的研究思路。
光纤光学 分布式光纤传感 拉曼散射 空间分辨率 温度解调
1 河北大学物理科学与技术学院光信息技术创新中心，河北 保定 071002
2 河北省光学感知技术创新中心，河北 保定 071002
随着应变、温度、振动等分布式光纤传感技术的不断深入发展和产品化程度的不断推进，人们越发意识到分布式横向压力光纤传感的重要性，尤其是准分布式光纤光栅等压力传感器在某些重要应用领域的不足越发凸显，对分布式横向压力光纤传感的研究更加迫在眉睫。与其他参量的分布式光纤传感技术相比，分布式横向压力光纤传感基础技术不足、存在机理瓶颈，参量转换的间接测量方法存在复杂度高、准确性差、难以实用化等显著问题。本文在综述前人所开展的分布式压力光纤传感技术原理和存在问题的基础上，重点讨论近些年本课题组在基于偏振分析的分布式横向压力光纤传感方面率先开展的工作和取得的研究成果，主要集中在基于保偏光纤偏振串扰分析和单模光纤分布式全Mueller矩阵偏振分析的分布式横向压力光纤传感涉及的测量与解调系统、传感介质、系统性能及典型应用等方面，也对分布式横向压力光纤传感未来的发展方向与前景进行了展望。
分布式光纤传感 横向压力 偏振分析 保偏光纤 单模光纤
1 河北大学物理科学与技术学院光信息技术创新中心，河北 保定 071002
2 河北省光学感知技术创新中心，河北 保定 071002
飞秒激光直写技术具有无掩模、真三维、高精度等优点，在透明介质光波导器件立体加工中具有很好的应用前景。然而，实际加工中需根据目标材料的特性反复探索和优化加工参数，过程繁琐且复杂。提出了一种基于光相干域反射仪（OCDR）在线监测飞秒激光在已有波导中直写加工微结构或器件的新技术，以光纤波导为例研究了激光脉冲能量、脉冲频率及直写速率对加工结构回波反射特性的影响，并分析了反射特性与加工工艺参数的对应关系。研究结果表明：通过OCDR反射曲线突变点能够快速准确地确定引起材料性质改变的激光能量和脉冲频率的阈值条件，且根据曲线变化趋势和反射峰特点可判断材料性质改变类型；此外，通过分布式测量激光直写反射曲线，可获得加工速率对加工效果的影响规律。该技术为波导内飞秒激光直写微结构或器件工艺参数的摸索提供了一种非破坏、高效、在线的解决方案。
激光技术 飞秒激光 光波导 微纳加工 分布式光纤传感 反射特性 中国激光
2023, 50(16): 1602402
Author Affiliations
Abstract
1 Taiyuan University of Technology, Ministry of Education, Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control System, Taiyuan, China
2 Taiyuan University of Technology, College of Physics, Taiyuan, China
3 Shanxi-Zheda Institute of Advanced Materials and Chemical Engineering, Taiyuan, China
We propose and experimentally demonstrate a long-range chaotic Brillouin optical correlation domain analysis by employing an optimized time-gated scheme and differential denoising configuration, where the number of effective resolving points largely increases to more than one million. The deterioration of the chaotic Brillouin gain spectrum (BGS) and limitation of sensing range owing to the intrinsic noise structure, resulting from the time delay signature (TDS) and nonzero background of chaotic laser, is theoretically analyzed. The optimized time-gated scheme with a higher extinction ratio is used to eliminate the TDS-induced impact. The signal-to-background ratio of the measured BGS is enhanced by the differential denoising scheme to furthest remove the accumulated nonzero noise floor along the fiber, and the pure chaotic BGS is ulteriorly obtained by the Lorentz fit. Ultimately, distributed strain sensing along a 27.54-km fiber with a 2.69-cm spatial resolution is experimentally demonstrated, and the number of effective resolving points is more than 1,020,000.
chaos distributed fiber sensing stimulated Brillouin scattering long-range sensing Advanced Photonics Nexus
2023, 2(3): 036011
1 北京航天控制仪器研究所, 北京 100854
2 北京光纤传感系统工程技术研究中心, 北京 100094
光频域反射(OFDR)技术是一种基于频域分析的光学检测技术,通过互相关算法可以实现高空间分辨率的分布式光纤温度、应变传感,在航天器、飞行器等的结构健康监测中具有重要的作用。普通互相关运算在OFDR光纤温度、应变传感解调算法中存在测量量程较小和计算量较大的问题,限制了OFDR的大量程应用和解调速率的提高。为此,提出一种自适应量程的互相关算法,该算法不仅有效增大了OFDR的温度、应变测量量程,同时提高了系统的解调效率。实验验证了算法的可行性,并测试了算法的运行时间,结果表明该算法可使解调效率提高为原来的2.25倍;实际测量了20~500 ℃的大量程温度曲线,给出三次方曲线拟合,拟合残差<0.1 ℃;在±3000 με的范围内进行应变测试,测试误差≤5 με。
光学学报
2021, 41(13): 1306020
1 西南交通大学物理科学与技术学院，四川 成都 610031
2 国防科技大学气象海洋学院，湖南 长沙 410073
3 西南交通大学信息科学与技术学院，四川 成都 610031
布里渊光时域分析（BOTDA）在分布式光纤传感系统中展现出独特的优势并得到了广泛的关注，对BOTDA传感系统的温度分布信息进行快速且精确的提取至关重要。随着机器学习算法的快速发展，其在BOTDA传感系统的温度分布信息的提取中展现出巨大潜力。首先，阐述了BOTDA传感系统温度测量的原理。接着，介绍了几种基于机器学习的算法并分析了其在BOTDA传感系统温度提取中的应用和优势。最后，对未来的研究进行了展望。
激光与光电子学进展
2021, 58(13): 1306022
1 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西 太原 030024
2 太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024
基于布里渊光时域分析（BOTDA）的分布式光纤传感系统可以实现温度、应变等参量的测量，同时具有超长传感距离、高空间分辨率和高精度等优势，已广泛应用于基础设施、航天工程等领域中的结构健康监测。然而，BOTDA传感系统存在温度和应变交叉敏感问题，导致温度和应变的变化在测量过程中难以区分，严重制约了系统传感监测能力。针对该问题，分别介绍了基于参考光纤、光栅辅助、多参数辅助、特种光纤、双波长传感、拉曼/瑞利散射辅助以及神经网络共7种方法，并对其进行分析比较，旨在为光纤传感领域中解决交叉敏感的研究与应用提供参考。
激光与光电子学进展
2021, 58(13): 1306021
1 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 山西 太原 030024
2 太原理工大学物理与光电工程学院, 山西 太原 030024
布里渊光相干域分析(BOCDA)技术可以实现长传感距离、高空间分辨率和高速的分布式温度或应变传感,在大型结构健康监测、现代工业等领域具有广阔的应用前景。分别综述了正弦频率调制型BOCDA、相位调制型BOCDA和宽带光源型BOCDA近年来的研究进展,其中宽带光源型BOCDA包括基于放大自发辐射的BOCDA和本课题组提出的混沌激光BOCDA。对比了这些技术的优缺点,分析了BOCDA系统的性能,并对BOCDA技术的发展前景进行了展望。
光纤光学 光纤传感器 布里渊散射 布里渊光相干域分析 分布式光纤传感
1 华北电力大学电子与通信工程系, 河北 保定 071003
2 华北电力大学电力工程系, 河北 保定 071003
基于相似匹配方法的布里渊频移提取算法具有无需预设模型、适应性强的优点。为了获得谱信号参数和扫频参数对算法性能的影响,在仅单一因素变化情况下系统研究了布里渊线宽(简称线宽)、信噪比、扫频间隔、扫频范围对布里渊频移提取准确性的影响规律。结果表明:频移误差与线宽成线性关系,探测谱与参考谱线宽差距本身对算法准确性产生的影响较小;频移误差随参考谱和探测谱信噪比的增加均呈指数规律减小;扫频间隔不变时随参考谱扫频范围增加频移误差存在增加的趋势,同时计算时间线性增加;探测谱的扫频范围为2倍线宽时频移误差最小。研究结果可为布里渊频移的准确提取提供参考。
光纤光学 光纤分布式传感 布里渊散射 布里渊频移 相似匹配方法 影响因素
西南交通大学信息光子与通信研究中心, 四川 成都 611756
在格雷编码布里渊光时域分析(BOTDA)传感器中,采用随机扰偏技术,不仅会在消除强偏振牵引效应时引起传感信号信噪比恶化,同时也会引入较强的偏振随机噪声(PRN)而降低传感信号的测量准确度。通过仿真分析和实验研究,证实了偏振随机噪声对传感信号的影响,并基于布里渊相移谱抑制了偏振随机噪声,实验结果表明该方法可使传感准确度提高3倍。
光通信 分布式光纤传感 布里渊光时域分析
