天津大学精密仪器与光电子工程学院，光电信息技术教育部重点实验室， 天津市光纤传感工程中心，天津 300072
提出一种基于光频域反射（OFDR）差分相位解调的拉锥光纤分布式折射率传感方法。首先，理论分析了差分相位解调方法的原理并仿真计算了相位随外界折射率变化的灵敏度特性。实验中利用平均去噪与小波平滑实现了340 μm传感空间分辨率的分布式折射率传感解调，其中有效传感区域的长度为45 mm，相位与外界折射率变化的线性拟合度为0.997，各折射率下的最大标准差为0.0067 rad，灵敏度为1328.6 rad/RIU，接近仿真结果1483.7 rad/RIU。与互相关解调方法相比，差分相位解调方法的线性拟合度与标准差均较优，且传感空间分辨率提升了10倍。这种基于差分相位的解调方式为实现微米级分布式生物传感提供了思路。
光纤光学 分布式光纤传感 折射率传感 光频域反射技术 差分相位解调 拉锥光纤
红外与激光工程
2024, 53(2): 20230602
1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 信息光子技术工业和信息化部重点实验室，北京 100081
光频域反射计（OFDR）是一种分布式光纤测量技术。将扫频激光注入光纤链路，对后向瑞利散射光进行频域分析，定位光纤链路上的反射点位置及强度。由于其具有高精度、高空间分辨率等特点，广泛地应用于航空航天、智能结构、材料加工、光学网络监测、生物医学等高精度测量及制造领域。本文阐述了OFDR的基本原理，介绍了提升OFDR系统性能的关键技术研究进展，最后总结了OFDR在不同领域的应用，展望了未来的发展趋势。
光频域反射计 分布式光纤传感 后向瑞利散射 频域分析 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0500002
1 三峡大学湖北省弱磁探测工程技术研究中心，湖北 宜昌 443002
2 三峡大学理学院，湖北 宜昌 443002
提出了一种基于超弱光纤光栅阵列的长距离传感系统。基于超弱光纤光栅的离散分布和高信噪比特点，采用分段采集的方法降低系统对数据缓存和计算能力的要求，利用ZYNQ（ZYNQ-7035 All Programmable SoC）嵌入式底层硬件实现对选定空间上10 km传感段的解调。采用OptiSystem软件仿真分析系统的功率预算，精准设计入纤脉冲光功率以及拉曼光纤放大器的配置，结合电路的动态分段增益，实现长距离传感系统中的功率均衡，并搭建实验系统予以验证。结果表明：系统工作距离可以达到50 km，传感信号的强度波动小于2.2 dB，空间分辨率为1.5 m，解调速度为0.3 Hz，远端的解调精度稳定在6 pm以内，温度测量精度为±0.15 ℃，应变测量精度为±5.5 με。系统整体性能优于传统的分布式布里渊传感系统，且具有良好的可扩展性，在长距离光纤温度、应变感测上具有明显的技术优势。
光纤布拉格光栅 长距离传感 光纤传感系统 拉曼光纤放大器 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0506005
国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏 南京 210000
针对当前分布式光纤振动传感对振动干扰事件的识别容易过拟合以及泛化能力不强的问题，提出了一种基于分数阶傅里叶变换（FrFT）的分布式光纤振动事件识别方法。采用FrFT对时域振动信号进行时频变换，相比传统的时域方法多了一个新的分析维度。相比传统时频域方法，该方法不仅解决了时间分辨率和频率分辨率相互制约的问题，还增强了时频数据的特征丰富度，更利于深度模型的学习，可有效防止模型过拟合。户外实地实验表明，FrFT方法的识别准确率达到98.5%，且在专门的泛化测试集上依然能保持98%以上的准确率。同时引入更可靠的评估指标f1-score（f1-score是精确率和召回率的调和平均数）来综合评估精确率和召回率，该方法识别各事件的f1-score均高于0.975。
光纤传感 分布式光纤传感 分数阶傅里叶变换 分布式光纤振动传感 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0506003
Author Affiliations
Abstract
1 College of Optical and Electronic Technology, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China
2 College of Materials and Chemistry, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China
The pandemic of respiratory diseases enlightened people that monitoring respiration has promising prospects in averting many fatalities by tracking the development of diseases. However, the response speed of current optical fiber sensors is still insufficient to meet the requirements of high-frequency respiratory detection during respiratory failure. Here, a scheme for a fast and stable tachypnea monitor is proposed utilizing a water-soluble C60-Lys ion compound as functional material for the tracking of humidity change in the progression of breath. The polarization of C60-Lys can be tuned by the ambient relative humidity change, and an apparent refractive index alteration can be detected due to the small size effect. In our experiments, C60-Lys is conformally and uniformly deposited on the surface of a tilted fiber Bragg grating (TFBG) to fabricate an ultra-fast-response, high-sensitivity, and long-term stable optical fiber humidity sensor. A relative humidity (RH) detecting sensitivity of 0.080 dB/% RH and the equilibrium response time and recovery time of 1.85 s and 1.58 s are observed, respectively. Also, a linear relation is detected between the resonance intensity of the TFBG and the environment RH. In a practical breath monitoring experiment, the instantaneous response time and recovery time are measured as 40 ms and 41 ms, respectively, during a 1.5 Hz fast breath process. Furthermore, an excellent time stability and high repeatability are exhibited in experiments conducted over a range of 7 days.
humidity sensor fullerene derivative optical fiber sensing tilted fiber Bragg grating nanomaterials Chinese Optics Letters
2024, 22(2): 021201
1 厦门大学航空航天学院，福建 厦门 361005
2 北京宇航系统工程研究所，北京 100076
针对分布式光纤传感器在航空航天领域应用中存在的应变读数异常现象，提出一种可检测和快速清除分布式光纤传感器应变读数异常的自适应后处理算法，以提高传感器监测精度与数据可靠性。该算法采用K均值聚类方法进行自适应定义阈值，以区分不同结构特征及不同服役环境导致的数据分布与噪声响应的差异性。在此基础上，对扭曲的应变曲线实行连续的几何偏置来消除应变读数异常。最后以航天燃料贮箱压力循环实验中采集的分布式光纤传感数据处理为例验证所提方法的有效性，使用Pearson相关系数来表征后处理曲线与无异常曲线的相关性，并与其他后处理算法进行对比。结果表明，针对2种主要类型、8种典型案例的应变异常现象，所提方法均能获得最佳的后处理结果，与无异常曲线的相关性系数不低于0.917。
光纤光学 瑞利散射 分布式光纤传感 K均值聚类 自适应阈值 复合材料贮箱
靳喜博 1,2,3刘琨 1,2,3,*江俊峰 1,2,3王双 1,2,3[ ... ]刘铁根 1,2,3
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
3 天津大学光纤传感研究所，天津 300072
基于双马赫-曾德尔干涉（DMZI）型分布式光纤振动传感系统与无人机（UAV）视频监测系统，通过卷积神经网络同步对光信号和无人机视频信号进行模式识别，从多维度对多类别扰动事件进行精准检测。与传统的模式识别方法相比，所提方案将两个不同维度上的信号有效结合，实现了不同维度上模式识别方法的优势互补，将识别信号的时间维度加入识别，解决了静态信号识别事件有限、准确率较低的问题。为了验证所提方案的可行性和有效性，对常见的9种传感行为（攀爬、轰砸、剪切、脚踢、重敲击、轻敲击、拉扯、摇晃、无入侵）进行了实验测试和分析。实验结果表明，所提出的多维度模式识别方案可以对9种入侵事件达到99.58%的平均测试准确率，并且平均识别时间为0.16 s，短于系统的采样时间0.3 s，满足实际工程应用的需求。
光纤光学 分布式光纤传感 多维度传感 模式识别 卷积神经网络
天津大学精密仪器与光电子工程学院，光电信息技术教育部重点实验室，天津市光纤传感工程中心，天津 300072
现有光纤生化传感器只获取单点生化物质含量，难以得到其空间分布信息，而沿光纤轴向连续分布成百上千只传感器的分布式生化传感方式可实现这一目标。从准分布式光纤生化传感入手，全面综述了分布式光纤生化传感在气体传感、折射率传感以及生物化学传感方面应用的最新进展。最后对分布式光纤生化传感器的发展前景与当前挑战进行了展望。分布式光纤生化传感研究有望引领当前单点分立式光纤生化传感研究向多点连续分布式方向发展，有望成为化学、生物、医学等领域强有力的新工具。
传感器 分布式光纤传感 准分布式光纤传感 气体传感 折射率传感 生化传感
