1 湖北工业大学 机械工程学院，湖北 武汉 430068
2 湖北理工学院 电气与电子信息工程学院 智能感知与目标识别光电实验室，湖北 黄石 435003
物体微振动信号测量在磁场、建筑、生物成像及航空航天等方面具有重要的应用价值。但是，物体微振动产生的弱反射光不仅极其微弱，易受到探测距离、雨雾气等环境因素的干扰，而且低频振动的振动形式多变，易受到经典噪声影响，难以实现极端微弱反射光条件下的振动信号测量。针对以上问题，文中采用光学偏振控制方法，对信号光与本振光的偏振性进行控制，以减少光学噪声的干扰；采用平衡外差探测，将低频直流信号转变为高频交流信号，避免信号被噪声湮没的同时，克服了光电流共模噪声的影响。在赫兹（~10 Hz）频段，探测器的噪声水平达到了散粒噪声极限，并实现了阿瓦量级反射光条件下的微振动信号测量，测得的物体微振动振幅为11.44 nm，A类标准不确定度为0.25 nm，合成不确定度为0.34 nm，测量精度为±0.75 nm。该方案不仅为微弱多普勒频率测量、振动检测等测量领域的研究提供了实验支持，在弱反光、长距离、雨雾天气等复杂测量环境也具有广阔的应用前景。
微振动 弱反射光 偏振控制 散粒噪声极限 平衡外差探测 micro-vibration weak reflected light polarization control shot noise limit balanced heterodyne detection 红外与激光工程
2023, 52(7): 20220872
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
为了探索采用常规单模光纤制备弱反射光纤光栅的可行性, 以降低材料成本和传输损耗, 基于相位掩模板法, 在常规单模光纤上刻制弱反射光纤布喇格光栅(WFBG), 并进行了实验验证。建立相位掩模板刻栅系统光场统一方程, 分析光场分布对光纤布喇格光栅(FBG)中心波长和反射率的影响; 采用传输矩阵法分析相位掩模板长度、平均折射率变化对FBG反射率和3dB带宽的影响, 为WFBG刻制提供理论依据。采用248nm紫外准分子激光器在常规单模光纤上刻制WFBG, 分析相位掩模板长度、曝光能量、曝光频率, 曝光次数对WFBG中心波长、反射率和3dB带宽的影响, 制备出反射率和3dB带宽分别约为0.0016, 0.10nm和0.00006, 0.34nm两种窄宽的WFBG。结果表明, 基于相位掩模板法由紫外准分子激光对常规单模光纤多脉冲曝光, 能够稳定刻制WFBG。该研究对WFBG制备的材料选型提供了参考。
光纤光学 弱反射光纤布喇格光栅 相位掩模板 单模光纤 衍射光场 fiber optics weak fiber Bragg grating phase mask single-mode fiber diffraction field
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
1 武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室, 湖北 武汉 430070
2 武汉理工大学光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室, 湖北 武汉 430070
光纤光栅传感技术近年来的快速发展对复用容量和空间分辨率提出了更高的要求。采用超弱反射光纤光栅(FBG)结合光频域反射技术(OFDR)，实现了大容量、高空间分辨率的准分布式光纤光栅传感网络的解调。通过对拍频信号分离的优化和非线性矫正，利用拍频信号的频谱信息，实现了高空间分辨率的光纤光栅位置信息的提取，并进行各个光栅拍频信号时域上的分离，再结合希尔伯特变换还原光栅的反射光谱信息，实现光栅的波长解调。实现了单根光纤上200 个间隔为20 mm、中心波长为1552.8 nm、反射率仅为0.1%的全同超弱反射光纤光栅的解调。实验结果表明，在-10 ℃～80 ℃的温度范围内，各个光栅的中心波长随温度变化的线性度达到99.6％以上。
传感器 光纤传感 准分布式传感 超弱反射光纤光栅 光频域反射技术
