本文提出一种基于辅助光的相位展开的新方法,用来打破传统相位解缠绕算法的限制条件,进而扩大相位信号的测量范围。首先基于相干探测型相位光时域反射仪中缠绕的统计相位,可以求解出参考位置和后续位置之间缠绕的差分相位。然后基于联合脉冲序列按照传统相位解缠绕算法展开缠绕的差分相位,将展开的差分相位求解得到的相位变化曲线叠加在一起。正确实施了传统相位解缠绕算法的光纤位置可以由叠加的相位变化曲线的线性特征获取,因而,基于相位变化的线性特征可以正确地获取扰动源所对应的相位信号。在实验中,一个相邻采样点之间最大绝对相位差值为3.7154的相位信号能够被完美地重构出来。

针对复杂电磁环境下风洞实验中绕流阻力测量和飞行器空速监测的需求,利用自主研制的基于白光干涉测量技术的压差式光纤气流传感系统开展了相关实验研究。该系统由压差式光纤气流传感探头和小型化白光干涉测量传感解调仪组成,可以实现同步高速、高精度的压差测量。传感探头可实现单通道的压差传感,通过获取待测对象表面受压与流场中静压之间的压差来进行阻力探测,或与皮托管耦合进行流速测量。传感解调仪主要由波长扫描激光器、现场可编程门阵列控制与采集模块、光电探测器组成。该系统对风洞实验中以圆柱绕流阻力为代表的经典绕流模型进行了测量与分析,所得结果和标准多通道电子压力测量仪的结果相近。该光纤传感系统仅利用光纤来感知和传输信号,可有效对抗电磁干扰,为强电磁干扰环境下利用光学方法对空气流场绕流阻力进行精确分析提供一种新的选择,在未来空气动力学研究和飞行器监测领域具有潜在的应用价值。

本文提出一种基于半导体光放大器(SOA)光纤环形激光器的智能光纤动态应变传感系统,并采用自适应光折变双波混频技术对其进行解调,解调过程中无需对准静态应变和温度进行任何主动补偿。当FBG(Fiber Bragg Grating)传感器的反射光谱因动态应变而发生改变时,则激光输出的波长会相应移动,随后转换为相应的相移并由InP∶Fe光折变晶体双波混频干涉仪解调。实验结果表明,该传感系统能够测量50~464 kHz之间的动态应变且灵敏度高于0.5με Hz ^-1(ε为应变)。在InP∶Fe光折变晶体中同时对三个FBG传感器的动态应变进行解调,实验证实双波混频干涉仪的多路复用是切实可行的。

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。

在光纤周界安防系统的应用中,准确区分传感事件的类型进而给出针对性的处理方案是实现智能振动传感的核心技术之一。本文提出一种包含多维度时间信息特征的信号特征提取算法,并结合卷积长短期记忆全连接深度神经网络(CLDNN)对具体振动传感事件进行识别和分类。首先将采集获取到的光纤传感事件信息进行堆叠和截取,得到包含传感事件多维度时间特征信息图片,然后将其输入到CLDNN结构中,最后对敲击、轰砸、摇晃、踢和无入侵5种信号进行识别和分类实验。实验结果证明,所提算法可以有效对5类信号进行识别与分类,平均识别率均达到96%以上,识别响应时间可以控制到0.006 s。

基于平板波导近似模型构建了光纤基底圆环薄膜波导的模式方程,得到离散分布的薄膜波导模式,进一步结合全矢量模式理论,获得了光纤模式转换的新理解。按照从高阶至低阶(而不是广泛认知的从低阶至高阶)的模式顺序,具有一定厚度的圆环薄膜波导引起光纤包层模转变为相位匹配的薄膜包层模,继续增大圆环薄膜波导厚度,会破坏相位匹配条件而使该薄膜包层模再次转变为相邻的低阶光纤包层模,并依此形成周期的模式转换过程。最后,通过氧化铟锡镀膜倾斜布拉格光纤光栅的光谱变化验证上述机理,分析发现了正交偏振薄膜波导模(P和S偏振态)的同周期但非同步的激发过程及其对光纤偏振的周期调控规律,理论分析与前期实验结果一致。研究结果为光纤矢量参数传感(振动、扭转、压力、声场等)、光纤生物传感(体折射率与面折射率区分测量)及光通信偏振滤波等研究提供新思路。

回音壁模式微腔间耦合引起的模式分裂会导致器件Q值提高,进而提升器件性能。在纤式光纤耦合微球谐振腔作为一种新型的微腔耦合形式,实现了光纤器件集成度和稳定性的提升。提出并研究了基于光纤耦合双微球谐振腔的光纤传感器件,该器件由单模光纤、石英毛细管和两个钛酸钡微球谐振腔构成。双微球谐振腔的回音壁模式相互耦合,激发了模式分裂,谐振腔Q值从8×10 ³提高到2.4×10 ⁴。模式分裂有利于提高对微小变化量的传感能力,在温度传感实验中,器件展现出良好的温度响应稳定性,温度传感灵敏度为11.7 pm/℃,检测极限低至0.03 ℃。

随着海上风力发电技术的发展,风力发电机的功率不断增大,对其桩基的承载力要求也不断提高,因此需要测试桩基的荷载性能来验证工程设计的安全可靠性。首先搭建了1 m空间分辨率的布里渊光时域反射(BOTDR)系统,在杭州湾嘉兴市海域的风电项目中,利用该系统对海上风力发电机桩基进行了水平推力加载试验。通过测量和分析不同水平荷载下桩基的应变分布和最大应变位置,得到了其形变情况和位移分布。结果表明,该桩基的水平承载力达到了预期设计的最大荷载700 kN,验证了BOTDR分布式光纤传感技术在海上风力发电机桩基检测中的有效性。

采用光纤熔接技术将薄壁柚子微结构光纤与单模光纤进行熔接制作成探针式的压强传感器,该微结构光纤一端开放的空气孔可以与外界压强相连通,实现压强响应,获得了0.70 nm/MPa的压强灵敏度,并且具有良好的线性度。通过有限元法模拟和实验结果对比发现该微结构光纤传感器存在LP₀₁和LP₁₁模式的干涉,并证明了该传感器具有良好的稳定性和重复性。