为了提高基于布里渊散射的分布式光纤传感系统实时性, 在分析经典基于洛伦兹和伪Voigt模型拟合法优缺点的基础上, 将多层前馈神经网络方法用于布里渊频移的估算。确定了神经网络的结构、输入及输出量、激活函数和训练算法, 采用不同信噪比(5dB~40dB)和布里渊频移(10.62GHz~10.82GHz)的布里渊谱训练该网络, 训练完成后网络针对训练样本的布里渊频移预测误差仅约为1MHz, 同时也训练了径向基函数神经网络。针对温度和应变沿线波动的布里渊谱分别采用以上训练得到的多层前馈神经网络、径向基函数神经网络、基于洛伦兹模型的谱拟合法和基于伪Voigt模型的谱拟合法估算光纤沿线的布里渊频移并解调获得光纤沿线的温度和应变。结果表明, 多层前馈神经网络方法的准确性与经典的基于洛伦兹模型和伪Voigt模型的谱拟合法相似, 但计算时间仅为后两者的1/947.16~1/470.95和1/784.56~1/532.88。该研究为基于布里渊散射的光纤温度和应变快速测量提供了参考。

为了提高基于抛物线拟合的布里渊频移提取准确性, 文章采用Savitzky-Golay滤波对含噪布里渊谱进行滤波得到比较准确的布里渊频移后, 从未滤波布里渊谱中选择对称的部分, 然后采用抛物线拟合提取布里渊频移。由于文章所提方法能得到对称程度较高的布里渊谱, 且计算耗时增加不多, 因此改进的抛物线拟合方法可以在保证实时性的基础上显著提高布里渊频移提取的准确性。文章采用了原始抛物线拟合方法、基于伪Voigt模型的拟合方法和改进的抛物线拟合方法来计算光纤沿线的布里渊频移, 结果表明, 改进的抛物线拟合方法计算时间要长于原始抛物线拟合方法, 但仅为基于伪Voigt模型拟合方法的1/37~1/28, 且布里渊频移计算准确性与后者相似。基于文章所提算法有望实现光纤沿线温度和应变的快速感知。

为了提高分布式光纤传感系统的准确性, 理论上比较了多参数同时测量与单参数测量时温度、应变的误差标准差, 指出在典型配置下双光纤或双波长方式的同时测量误差标准差可达单参数测量法的9~850倍, 双段光纤法应变误差标准差为单参数测量法的1.4倍。采用基于伪Voigt模型的拟合算法提取布里渊频移, 计算结果验证了以上结论。

该文基于多模与熊猫光纤耦合设计了一款新型马赫-曾德尔干涉仪传感器, 该传感器对温度和轴向应变均较灵敏, 在温度或应变变化时, 传感器透射谱谐振峰波长发生线性漂移, 通过考察谐振峰波长偏移量来感知应变与环境温度。实验结果表明, 测得最大温度灵敏度为65.45 pm/℃, 最大应变灵敏度为-1.9 pm/με。利用传感器透射谱谐振峰两个波谷的温度和应变灵敏度构建测量矩阵, 实现了温度与应变的同时测量, 消除了交叉敏感。

提出一种基于光纤Sagnac干涉仪(FSI)和偏振模干涉仪(PMI)级联结构的高灵敏光纤温度和应变传感器。FSI作为参考干涉仪,是将对温度、应变、弯曲及扭转不敏感的椭圆芯保偏光纤(ECPMF)引入到Sagnac环内制得的。PMI作为传感干涉仪,是对光纤起偏器与末端端面镀金的熊猫型保偏光纤(PMF)的快轴/慢轴以45°角进行熔接制得的。参考干涉仪的自由光谱区(FSR)易被调整为接近传感干涉仪的FSR,从而产生光学游标效应,实现灵敏度放大。实验结果表明:所设计的级联传感器的温度灵敏度达15.56nm/℃,是单个PMI的11.12倍;应变灵敏度达154.04pm/με,是单个PMI的11.81倍。所设计的传感器具有灵敏度高、制作简单、稳定性好等优点,在航空航天、工业生产等领域中具有广阔的应用前景。

对保偏光纤中基于布里渊动态光栅的温度和应变的传感机制进行了探索.从保偏光纤两正交偏振轴的传输特性出发, 分别研究了布里渊动态光栅的波长、波长差以及拍长与温度和应变的关系.研究结果表明, 波长的对数与光纤温度近似成线性关系, 波长的相对变化量与光纤应变成线性关系; 两轴波长差、拍长的倒数与温度和应变近似成线性关系.本文研究结果为基于布里渊动态光栅的保偏光纤分布式温度和应变的传感指明了潜在的研究方向.

基于实测布里渊(Brillouin)增益谱确定了合适目标函数。数值产生了大量的布里渊增益谱, 利用这些谱信号系统研究了信噪比、扫频间隔、扫频点数、扫频范围和谱特征参数g0、vB、ΔvB的取值对布里渊增益谱特征参数提取准确性的影响规律。结果表明: 特征参数提取误差随信噪比增加成指数规律下降, 随扫频点数增加(或扫频间隔减少)而下降; vB的提取误差随ΔvB的增加而线性增大, ΔvB的值对其他参数的提取准确性几乎无影响; 扫频点数固定时扫频范围选择太大或太小时的误差均较大, 实际应该选择2ΔvB左右。研究结果对基于布里渊散射的传感时相关参数选择具有参考价值。

为了实现低成本的温度和应变同时测量, 利用光纤熔接机的熔融放电原理制备了基于全单模光纤(SMF)的花生和J型结构级联的马赫-曾德尔干涉仪(CPJS-MZI)。首先利用光纤熔接机的球形程序将两段单模光纤的端面熔成球形, 再将小球熔接到一起形成花生型结构; 然后在距离花生结构15mm处, 将两根单模光纤端面错位一定距离, 对其进行熔接形成J型结构; 最后对所制备的器件进行温度和应变传感性能的测试。实验发现, CPJS-MZI单个干涉峰强度和波长对应的温度灵敏度分别为-0.0125dB/℃和52.9pm/℃, 应变灵敏度分别为0.0152dB/με和-11.44pm/με。结果表明, 基于SMF的CPJS-MZI可利用单峰实现温度和应变的同时测量, 且具有尺寸小、制备容易、成本低等优点, 在同时测量温度和应变传感领域具有潜在应用价值。

提出一种基于布里渊增益和损耗相互作用的光时域分析系统, 该系统将连续光与反向的斯托克斯和反斯托克斯脉冲同时输入光纤, 通过声光相互作用在布里渊增益谱中心频率处产生一个窄线宽的吸收峰。该吸收峰的线宽约为布里渊增益谱宽的1/5,并且其频率与布里渊频移相关。因此利用该窄线宽吸收峰可以提高布里渊传感器的频率分辨率, 从而实现高精度的温度和应变测量。实验结果表明, 与传统的基于布里渊增益谱的传感器相比, 该方案的温度测量精度提高了1倍多。