1 苏州科技大学土木工程学院，江苏 苏州 215011
2 山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013
3 苏州南智传感科技有限公司，江苏 苏州 215123
利用弱光栅应变监测原理，研究了两种不同封装方式的弱光栅传感器对钢梁的应变监测效果，并将其应用于海上钢管桩的变形监测。结果表明，弱光栅应变监测结果与分布式光纤结果以及理论计算结果都具有较高的一致性；推算的钢梁挠度与千分表测实值以及理论值误差在10%以内。海上钢管桩水平静载荷试验结果表明，桩身变形主要在海平面以下60 m的范围内，钢管桩挠度随着荷载的增加而增加，随着桩深的增加而减小，在50 m埋深后，钢管桩几乎不再受水平推力的影响；监测所得挠度与实际挠度平均误差为16 mm。通过室内模型及实际工程应用证明了弱光栅在钢结构监测中的可行性及准确性，并为同类项目提供了一定的技术支持。
光栅 海上钢管桩 钢结构 弱反射布拉格光栅 应变 挠度 激光与光电子学进展
2022, 59(11): 1105001
1 海军工程大学兵器工程学院，湖北 武汉 430033
2 海军工程大学电子工程学院，湖北 武汉 430033
针对弱光纤布拉格光栅阵列的偏振衰落现象，通过理论推导分析了双折射效应诱发的传输脉冲光偏振态变化对干涉光强信号的影响，指出交流项系数耦合是引起零差对称算法解调信号失真的主要原因。为减小该影响，提出了一种基于实时偏振态测量、可消除交流项耦合系数的偏振补偿方法。仿真结果表明，偏振补偿的零差对称算法能在大动态范围内实现稳定的解调输出，有效解决了常规零差对称算法解调过程中出现的信号大范围跳变问题。
光纤光学 光纤布拉格光栅 弱反射 匹配干涉 偏振补偿 激光与光电子学进展
2022, 59(7): 0706005
1 海军工程大学 兵器工程学院， 武汉430033
2 海军工程大学 电子工程学院，武汉430033
3 武汉理工大学 信息工程学院， 武汉400
提出一种细尺寸、大孔径、高增益的弱反射光纤光栅水听器拖曳线列阵。根据匹配干涉方法选用反射率一致、中心波长相同以及3 dB带宽较宽的弱反射光纤光栅阵列；根据水声传感原理确定弱反射光纤光栅阵列的栅距以应用于5~10 Hz甚低频水声信号探测。采用光纤涂覆机对弱反射光纤光栅阵列二次涂覆，阵列中心波长整体一致漂移，栅距基本不变。采用扎纱机和护套机在二次涂覆弱反射光纤光栅阵列外铺设凯夫拉纤维和聚氨酯保护套形成水听器拖曳线列阵。测试拖曳线列阵水听器单元的声压-相位灵敏度在1 rad/μPa条件下分别为-136.97 dB@ 5 Hz、-139.64 dB@7.5 Hz、-139.36 dB@10 Hz；分析流噪声引起的水听器自噪声功率谱，拖速为8 m/s、频段为1~100 Hz的谱值在45~95 dB （1 μPa2/Hz）范围内。实验和分析结果表明，所提出的弱反射光纤光栅水听器拖曳线列阵甚低频段灵敏度高、流噪声低，有望增强无人航行器的甚低频水声信号探测功能。
光纤布拉格光栅 弱反射 水听器 拖曳线列阵 Fiber Bragg grating Weak reflection Hydrophone Towed line array
1 海军工程大学兵器工程学院，湖北 武汉 430033
2 海军工程大学电子工程学院，湖北 武汉 430033
弱反射光纤光栅（WFBG）阵列由于具有单纤抗拉强度、大规模复用等特性，近年来得到广泛关注，其在大规模结构健康监测和甚低频水声信号探测等领域具有潜在的应用价值。系统地综述了WFBG阵列的制备、解调与应用进展。在WFBG阵列制备方面，刻栅装置主要以拉丝塔Talbot和相位掩模板技术为主，在光纤选型上则相继出现了紫外透明涂覆层光纤、掺铈光纤等。在信号解调方面，大致有时域波长、频域、微波光子和匹配干涉等四种解调技术。在应用方面，WFBG阵列可以作为制备激光器的器件和传感器应用于监测领域。
传感器 弱反射光纤光栅 拉丝塔光栅 信号解调 激光器制备 结构健康监测 激光与光电子学进展
2021, 58(17): 1700005
1 海军工程大学兵器工程学院, 湖北 武汉 430033
2 海军工程大学电子工程学院, 湖北 武汉 430033
提出一种二次涂覆增敏型弱反射光纤布拉格光栅(WFBG)水听器。把二次涂覆WFBG水听器看作三层复合材料构成的圆柱,采用待定系数法描述三层区域应力、应变、径向位移,根据径向位移、径向应力、轴向应力边界条件求得待定系数,获得光纤应变受声压影响的规律,进而得到光脉冲在光纤中的相位变化。制备直径为0.4 mm的高密度聚乙烯涂覆WFBG水听器,采用振动液柱法测试5,7.5,10 Hz频率下水听器的相位-声压灵敏度,与裸WFBG阵列比较,水听器增敏效果达40 dB。理论和实验结果表明,三层复合材料应力模型为WFBG阵列二次涂覆增敏提供了理论支撑,制备的WFBG水听器尺寸细、灵敏度高,有望构建细尺寸、大孔径、强增益的WFBG水听器拖线阵。
光纤光学 光纤布拉格光栅 弱反射 二次涂覆 水听器
1 海军工程大学电子工程学院, 湖北 武汉 430033
2 海军工程大学兵器工程学院, 湖北 武汉 430033
提出一种提取基于迈克耳孙干涉的弱反射光纤布拉格光栅(WFBG)时分复用系统中干涉信号的方法,以降低数据采集量并提高零差对称解调精度。对光强信号进行连续小波变换,寻找变换系数的极值,相邻的极小值和极大值用于界定激光干涉区间。针对不同宽度的激光脉冲工况,调整小波尺度因子,以寻找干涉区间,分别基于干涉区间内光强信号的最大值和平均值得到干涉信号,最后采用零差对称算法解调干涉信号的相位信号。将WFBG传感器放入振动液柱内,多次测量同一弱正弦信号,并对测量信号进行正弦曲线拟合。拟合结果显示采用连续小波变换提取短脉冲干涉区间并以平均值法计算干涉信号有助于提高该传感系统的零差对称解调精度。
传感器 光纤布拉格光栅 弱反射 干涉信号 连续小波变换 激光与光电子学进展
2020, 57(19): 190603
1 海军工程大学电子工程学院, 湖北 武汉 430033
2 海军工程大学兵器工程学院, 湖北 武汉 430033
3 海军工程大学作战运筹与规划系, 湖北 武汉 430033
4 海军装备部装备保障大队, 北京 100036
提出一种用于声波方向检测的弱反射光纤布拉格光栅(WFBG)分布式传感器,并进行了实验验证。将两个相邻WFBG间的分布式传感光纤用于检测声波振动信号。两段传感光纤解调的信号相位差对应于声波到达的时间差,再由时间差计算得到声波方向。一段长50 m的传感光纤环放置于振动液柱内,测得其平均声压灵敏度为-155.10 dB(re rad/μPa);两段50 m的传感光纤分布放置在木地板上用于接收正弦声波,探测方向的均方根误差为1.35°。理论推导和实验结果表明,这种分布式传感器能够实现对声波方向的检测,与传统基底缠绕光纤结构相比尺寸超细,有望搭载在水下无人航行器上,实现对水下发声目标的探测。
光通信 光纤 光纤布拉格光栅 分布式传感器 弱反射 方向检测
中国计量学院光学与电子科技学院, 浙江 杭州 310018
采用波长可调谐光源与光时域反射技术（OTDR）结合的方案，通过对光脉冲调制技术和光电转换电路的优化，实现了一种对超弱全同反射光纤光栅的准分布式解调系统。实验中，20个中心波长相近的超弱反射光栅间隔2 m放置于约5.8 km长的光纤尾端，该解调系统成功实现了对这些反射率仅为0.01%的超弱反射光栅高信噪比的解调与定位，并且测得的光纤布拉格光栅(FBG)中心波长随温度变化的线性度达到99.7%以上。
光纤光学 传感系统 弱反射光纤光栅 准分布式传感 温度测量
1 燕山大学信息科学与工程学院河北省特种光纤与光纤传感重点实验室, 河北秦皇岛 066004
2 江苏天明机械集团有限公司, 江苏连云港 222062
提出一种基于弱反射布拉格光栅的新型分布式温度传感网络, 将 WDM 与 OTDR 相结合, 采用 WDM 技术提高光栅的复用容量, 利用 OTDR 对各个弱光栅进行实时检测, 以实现光栅的密集串行复用, 并提高空间分辨率。使用可调谐脉冲激光为光源, 多组不同中心波长弱光栅等间距刻制在一根光纤上。利用一根光纤刻制的三组反射率为 3%, 中心波长分别为 1 544.660 nm、1 545.802 nm 和 1 546.900 nm 的 9 个 FBG 进行了温度实验。实验结果表明, 在 5~80℃的温度范围内, FBG 的中心波长随温度变化呈良好的线性, 线性度达到 99.6%以上, 温度测量的分辨率最高达到 0.11℃, 空间分辨率可达 2 m。
弱反射 温度 分布式 weak reflection WDM WDM OTDR OTDR temperature distributed
国防科技大学光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
建立了一套高灵敏度调谐式连续波腔衰荡光谱测量系统,该系统以分布反馈式(DFB)半导体激光器作为光源,利用其电流调制及调谐的特征进行衰荡和腔损耗谱测量,系统重复测量精度约为0.65×10-6。对实验中出现的标准具效应进行了实验和理论分析,证实了这种效应来自衰荡腔的外部弱反射,并通过分析找出了系统中主要的反射面源。提出了标准具效应的软、硬件消除方法,实验结果表明,软件处理中数据拟合的标准误差约为0.4×10-6,硬件改进后腔损耗谱振荡起伏标准差由原来的9.2068×10-6减少为0.4561×10-6。
光谱学 衰荡光谱 标准具效应 分布反馈激光器 弱反射
