国防科技大学气象海洋学院，湖南 长沙 410073
光纤水听器作为一种新型水声传感器，对我国经略海洋战略有着重要意义。为了满足光纤水听器日益增长的实际应用需求，发展低成本、高集成度和高灵敏度的光纤传感技术尤为迫切。光纤光栅水听器因其易大规模成阵、高性价比和高可靠性成为下一代光纤水听器阵列的重要技术方案。本文从传感系统、探头结构和关键技术三个方面对光纤布拉格光栅水听器技术的进展进行了全面综述。此外还对目前光纤光栅水听器传感技术发展最为关键的干端信号解调问题进行了较为详细的论述。本文对于深入研究光纤光栅水听器系统的关键技术、提升其系统探测性能和推进其实际应用具有重要的指导意义。
光纤光学 光纤布拉格光栅 光纤传感 光纤水听器 瑞利散射 激光与光电子学进展
2023, 60(11): 1106015
国防科技大学气象海洋学院，湖南 长沙 410073
由于湿端极简化，光纤光栅水听器系统中普遍存在的偏振诱导信号衰落和随机相位衰落等关键问题仅能采用复合型调制解调手段解决；光纤光栅的双向反射特性会引起传感通道间信号串扰增加等新问题。报道了一种光纤光栅水听器阵列，水下仅采用80个光纤光栅构成64基元水听器阵列。采用相位生成载波与偏振切换调制解调方案，系统本底相位噪声达到-95 @1 kHz，等效噪声压为36 dB@1 kHz。系统采用低反射率光纤光栅，结合8空分×2波分×8时分复用结构设计，系统的时分、空分和波分通道串扰均稳定在-40 dB以下。该研究为光纤光栅水听器的工程实用化提供了重要的实践探索。
光纤光学 光纤水听器 光纤光栅 本底相位噪声 等效噪声压 通道串扰
国防科技大学气象海洋学院，湖南 长沙 410073
构建了短程传输链路的瑞利寄生干涉模型，利用干涉可见度的参数特性，得出系统背向瑞利散射噪声与询问脉冲宽度、传输链路光纤长度、瑞利散射率等参数的关系。理论与实验结果均表明：短程传输状态下瑞利散射并不会随着传输光纤长度的增加和瑞利散射率的提高而线性增强，而是呈现出不连续特征。短程传输状态下的瑞利散射还与问询系统的调制解调参数密切相关，随着调制解调参数的变化而动态变化。该研究结果定量揭示了短程传输链路状态下光纤水听器阵列的性能随瑞利散射的恶化情况，为短程传输状态下的系统优化设计提供关键支撑。
光纤光学 光纤传感 瑞利散射噪声 光纤水听器 短程传输 光学学报
2022, 42(23): 2306005
国防科技大学气象海洋学院, 湖南 长沙 410073
针对采用相位生成载波(PGC)调制解调方案的光纤光栅时分复用(TDM)传感系统,研究传感阵列结构和调制解调参数对系统相位噪声的影响。理论分析结果表明,阵列的结构设计会制约系统调制解调参数的设计与选取,而且因光纤光栅传感系统中需采用偏振调制手段来抑制偏振诱导信号衰落,当时分复用数量越多和单基元传感光纤长度越长时,系统调制解调频率的上限越低。仿真分析PGC调制解调算法中的高频混叠效应,结果表明调制频率越小,系统的本底相位噪声越大。实验搭建4套不同设计结构的干涉型光纤光栅时分复用传感阵列,PGC调制频率分别为6,10,16,50 kHz。实验测得4套系统在1 kHz频点处,第一时分复用通道相位噪声分别为-93,-96,-98和-99 dB/Hz 1/2,与理论分析结果吻合。
光学学报
2021, 41(13): 1306011
1 青岛大学 化学化工学院, 青岛 266071
2 青岛大学 物理科学学院, 青岛 266071
3 哈尔滨工业大学 化学工程与技术, 哈尔滨 150001
细菌纤维素(Bacterial Cellulose, BC)是由微生物发酵获得的具有纳米尺寸的聚合物生物材料, 具有比表面积大、机械强度高、持水能力强、化学稳定性好及环境友好等特质, 可用于制备三维纳米碳材料的前驱体或支撑其他功能材料的柔性骨架。本文介绍了基于BC制备的各种碳纳米纤维(Carbon Nanofiber, CNF)及其复合材料, 包括掺杂CNF、CNF/金属氧化物、CNF/导电聚合物等材料。描述了这些材料在超级电容器中的应用, 关注BC用于可弯曲电极的设计和制备; 进一步阐述了当前BC应用于能源存储领域所面临的挑战和机遇, 并对其未来发展包括在高性能二次电池方面的应用等进行了展望。
细菌纤维素 能源存储 环境友好 综述 bacterial cellulose energy storage eco-friendly review
1 中国科学院 西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学 光电学院, 北京 100049
3 西安电子科技大学 机电工程学院, 陕西 西安 710071
设计了一种基于鱼眼镜头的高效率光纤阵列耦合系统, 并将其应用于多点光子多普勒测速仪, 可以在爆轰物理、冲击波物理和强激光等众多领域中开展多点测速。为满足大范围的空间光进行聚焦, 设计了一款视场角为120°的大视场高分辨率低畸变的鱼眼镜头, 再将光纤端面整体抛光8°角度进行阵列排布后与鱼眼镜头耦合, 通过采用高精度机械零件及定心装调进行准确定位, 使光纤阵列的中心与鱼眼镜头焦面重合, 实现鱼眼镜头与光纤阵列的精密机械耦合。最后对所涉及的光纤机械耦合型鱼眼镜头组件的回波损耗进行了实际测量和讨论, 经过验证该组件的37根光纤束每根的回波损耗大于55dB, 符合设计指标要求。
光子多普勒测速 光纤阵列 鱼眼镜头 机械耦合 回损测量 photonic Doppler velocimetry optical fiber array fish-eye lens mechanical coupling return loss measurement
北京空间机电研究所 先进光学遥感技术北京市重点实验室, 北京 100094
航天遥感相机的畸变作为相机的重要参数, 其测试精度直接关系到相机获取图像后的图像处理精度。对于航天非测绘遥感相机, 在设计之初往往对其光学系统的畸变设计要求没有测绘相机高, 其光学系统的畸变一般会比较大, 需要对此类遥感相机, 特别是视场较大的遥感相机的畸变进行精确测试, 为其在轨飞行检校提供比较精确的初始条件。文中在经典的精密测角方法的基础上, 建立了针对大畸变航天遥感相机的数学模型, 针对视场较大、弧形畸变较大的测试难点提出了合理可行的测试思路, 完成了被测相机的高精度畸变测试, 取得了理想的效果。实际测试结果表明: 畸变测试精度优于1.8 μm(1σ), 可以满足被测相机的高精度畸变测试需求, 对航天非测绘大视场遥感相机畸变测试有参考借鉴意义。
非测绘 大视场 遥感相机 畸变 non-mapping large field of view remote sensing camera distortion 红外与激光工程
2018, 47(11): 1117003
Author Affiliations
Abstract
1 Colleague of Meteorology and Ocean, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
2 The Joint Staff of the Central Military Commission, Beijing 100022, China
We presented an interferometric phase shift fiber Bragg grating (FBG) sensor, which inherited the advantages of FBG sensors, and, at the same time, the greatly reduced full-width-at-half-maximum bandwidth brought longer coherent length, higher sensitivity, and lower phase noise. Experiments show that at least a 7 dB reduction of phase noise can be achieved compared to FBG sensors interrogated by interferometer with the same optical path difference.
060.2310 Fiber optics 060.2370 Fiber optics sensors Chinese Optics Letters
2018, 16(9): 090601
1 武汉大学资源与环境科学学院, 湖北 武汉 430072
2 中国环境科学研究院国家环境保护地下水污染模拟与控制重点实验室, 北京 100012
城市污水处理厂出水作为再生水的主要水源, 其迥异的物质组成给受纳水体带来潜在环境风险。 全面掌握污水厂出水水体中有机物组成及结构信息, 将为污水厂提标改造及有毒有害物质排放标准的制定提供理论支撑。 采用傅里叶变换红外光谱和三维荧光光谱技术, 结合二阶导数光谱及区域积分分析方法, 对4个典型城镇污水处理厂(W1, W2, W3, W4)出水水体中颗粒态有机物(POM)与溶解态有机物(DOM)的物质组成及结构差异特征进行了分析。 结果显示: 污水处理厂出水中POM主要组分为脂肪类、 芳香类、 糖类及矿物盐, 而DOM主要由有机酸、 蛋白质、 多肽、 糖类及芳香类物质组成。 各污水处理厂出水水体POM中, W1芳香类物质较多而矿物盐类等颗粒较少, W2较W1含有更多的糖类物质, W3含较多脂类、 蛋白类及糖类, 而W4含有芳香类及羧酸物质的有机物较多。 水体DOM组成中, W1和W2成分较为类似, 主要为芳香性较高的大分子有机酸, 其含量分别占总有机物的73.9%和67.7%； W3与W4组成中蛋白、 多肽及糖类含量较高, 其中类蛋白物质分别占DOM总量的71.3%和53.5%。 研究结果表明, 采用傅里叶变换红外光谱结合二阶导数分析能很好识别不同污水处理厂出水水体中POM与DOM主要物质组成及结构差异, 同时利用区域积分方法对样品三维荧光光谱进行解析, 能更进一步定量分析不同来源样品物质组成特征。
红外光谱 污水处理厂出水 颗粒态有机物(POM) 溶解态有机物(DOM) Fourier transform infrared spectroscopy Sewage effluent Particulate organic matters (POM) Dissolved organic matters (DOM) 光谱学与光谱分析
2017, 37(8): 2467
国防科学技术大学海洋科学与工程研究院, 湖南 长沙 410073
干涉型光纤传感器是一种高灵敏度的传感器，在许多领域都具有重要应用价值，而偏振衰落是这种传感器中需要解决的一个重要问题。提出采用脉冲正交偏振切换及基于相位生成载波(PGC)的信号合成算法来实现抗偏振衰落。阐述了正交偏振切换方法的基本理论，分析了以PGC解调为基础的正交偏振切换合成算法的原理，搭建了实验系统进行实验研究。结果表明，当光纤中偏振态受到扰动时，通过正交偏振切换及合成算法，合成的结果等效干涉度可以稳定在0.93~0.94之间；解调结果的噪声可以达到四路偏振通道噪声的最低水平。该方法可以消除传输光纤中偏振扰动所造成的低频相位漂移，使解调结果不受传输光纤中偏振态扰动的影响。长时间的噪声监测结果表明，PGC调制频率为8 kHz时，系统噪声达到了-96 dB/Hz （1 kHz），与同一系统中采用法拉第旋镜作为反射镜测得的本底噪声相当。该方法为解决干涉型光纤传感器时分复用阵列，特别是基于光纤光栅的干涉型准分布式光纤传感器和分布式传感系统中的偏振衰落问题提供了一种可行的途径。
传感器 光纤传感器 偏振衰落 偏振切换
