为了全面了解级联双光纤光栅(CFG)传感器的研究现状, 从测量温度、应变和折射率的传感应用出发, 详细介绍和对比了级联双光纤布喇格光栅(FBG)、级联双长周期光纤光栅(LPG)以及级联LPG+FBG这3种CFG传感器, 总结出了现阶段CFG传感器的技术优势和存在的难点, 最后对CFG传感器的技术发展进行了展望。

针对现有的波长解调型光纤布喇格光栅(FBG)风速计系统成本高、操作不方便等问题, 提出一种基于FBG啁啾效应的强度解调型光纤热式风速计。使用泵浦激光对长度为15 mm的FBG进行非均匀加热后, 使其产生明显的啁啾效应, 利用啁啾化FBG在风速作用下温度梯度降低导致啁啾程度减弱, 其反射光功率也随之减小的原理, 成功实现了强度解调型的FBG风速测量。实验结果表明: 风速计的测量范围达0~11 m/s, 在风速为0.1 m/s时风速计的灵敏度高达-28.60 μW/(m·s-1), 其动态响应时间小于1 s(低风速到高风速约为0.3 s, 高风速到低风速为0.9 s)。

随着智能电网技术的发展, 电流参数的监测需求日益提升。提出了一种基于磁致伸缩效应的光纤布喇格光栅(FBG)电流传感器, 将FBG全部固定于磁致伸缩材料上, 使其感知通电螺线管所产生的磁场来实现电流传感。监测FBG的波长变化可知, FBG电流传感器在0~5 A电流范围最大实现了0.773 nm的布喇格波长漂移量, 传感灵敏度高达0.184 nm/A。

针对基于喇曼散射的分布式光纤测温系统(DTS)中存在温度信号后向散射光微弱、易淹没在系统噪声下以及系统整体成本高、体积大的问题, 提出一种使用STM32F407模块的嵌入式的DTS。分别在系统中采用累加平均算法、小波阈值降噪算法以及多项式插值算法来降低噪声的影响、提升系统的信噪比和消除光的色散效应。实验结果表明: 系统的整体温度解调波动范围从3.3~5.9 ℃降到0.3~0.8 ℃；在长约5 km的多模光纤中, 温度分别为29 ℃、45 ℃、60 ℃和80 ℃的环境下, 系统的解调温度波动范围在±1 ℃以内, 并且系统的数据处理时间在60 ms左右。

为了分析布里渊谱测量时相关因素对布里渊光时域反射计/布里渊光时域分析计(BOTDR/BOTDA)解调误差的影响, 首先基于洛伦兹谱形仿真产生了不同参数下的含噪布里渊谱, 然后采用基于洛伦兹谱形的最小二乘拟合法计算了不同情况下的布里渊频移误差。计算结果表明: 当频率扫描点数固定不变时频率扫描范围不应该选择过大和过小, 建议频率扫描范围设置为1.2ΔvB；当频率扫描范围不变时, 布里渊频移误差随频率扫描点数增加而呈指数规律减小；布里渊频移误差随信噪比增加而呈指数规律减小；当频率扫描范围与线宽的比值和频率扫描点数均保持不变时, 布里渊频移误差随布里渊线宽增加而近似成正比增大。

为给反射式全光纤电流互感器(光CT)出现测量偏差问题提供理论依据, 研究反射式光CT系统的主要光学器件对系统响应的影响机理, 分析光CT各主要光学器件非理想性对电流测量准确性的影响。首先, 采用琼斯矩阵描述了该系统各主要器件和数学模型, 并给出系统输出光的表达式和解调检测后系统的注入电流测量值；然后, 基于系统数学模型, 分别分析了传感光纤的线性双折射、圆双折射的偏差和保偏光纤的线性双折射对光CT的注入电流测量值的影响。研究结果表明: 传感光纤的线性双折射偏差对光CT注入电流测量准确度的影响最为突出；传感光纤的圆双折射的存在可以有效地抑制传感光纤线性双折射对光CT注入电流测量准确度的影响。

为了消除光强扰动和相位调制深度对相位生成载波(PGC)解调的影响, 提出一种基于混频滤波、相除和差分的相位解调算法--PGC解调改进算法。该算法通过滤波和微分两两相除以及差分、积分运算, 使得解调信号不含任何变量。对PGC解调改进算法进行了理论分析和推导, 利用Labview平台构建仿真模型, 验证了该算法相对于传统解调算法的优势, 搭建了基于迈克尔逊干涉的解调系统并进行实验验证。实验结果表明: 在不同的相位调制深度情况下, PGC解调改进算法解调出的待测信号不会产生谐波失真；在不同光强的情况下, 解调出的信号幅度保持一致。

为了改善在复杂电磁环境下应变测量的性能, 提出了一种基于光电振荡器(OEO)和高双折射(Hi-Bi)光纤的新型应变测量方案。应变会引起Hi-Bi光纤中快慢轴上传输的2个正交偏振光之间的相位差改变, 通过合理控制输入到马赫-曾德尔调制器的光信号的偏振态, 将该相位差变化映射至OEO振荡微波信号的频率变化, 进而通过监测频率变化实现应变的解调。理论分析和实验结果表明, OEO产生的振荡微波信号频率与应变呈线性关系, 所提应变测量方案的灵敏度为-369.3 Hz/με。

为了实现地震波的三维采集, 设计了一种三分量光纤布喇格光栅(FBG)地震检波器, 理论推导了该检波器的固有频率和灵敏度, 先后使用Matlab软件、COMSOL软件对检波器进行结构参数优化和模态分析, 测试了检波器的幅频响应、横向抗干扰性能和灵敏度响应。实验结果表明: 检波器的平坦区为0.6~50 Hz；一阶、二阶和三阶的固有频率分别为56 Hz、59 Hz和63 Hz, x、y和z方向上灵敏度分别为218.22 pm/g、284.76 pm/g和249.67 pm/g；每个方向上的横向抗干扰度均小于5 %, 可实现低频信号的三分量检测。

针对钢结构焊接所产生的残余应变从理论上难以准确计算的问题, 基于光频域反射计(OFDR)技术进行了光纤标定试验和工字钢焊接试验, 研究了该技术在钢结构焊接残余应变监测上的应用。试验与分析结果表明: OFDR技术可以对焊接残余应变实现准确监测, 对应变发生位置可以精确定位。

为了提高农业生产效率, 从智能生产的角度提出一种智慧农业物联网改善农业生产的方法。智慧农业物联网采用了3种关键技术: 传感器技术、电力线载波通信技术和计算机网络通信技术, 其中前2种技术被用于建立网络节点, 实现远程监控, 而计算机网络通信技术则被用于在计算机网络中通过网络通信协议传输实时数据。测试表明: 智慧农业物联网能够实时记录农业生长状态, 远程操作生产设备, 准确传输实时数据, 提高工作效率, 降低生产成本。

超表面具有在亚波长的厚度范围内操纵电磁波的卓越性能, 伴随调谐技术的发展和对器件小型化、集成化的需求, 超表面设计已从单功能结构转向多功能集成, 在不同的激励条件下实现特定功能的切换。从外加电场、热控、机械拉伸、波长与极化控制等较常见的调谐方法出发, 分别介绍多种具有双功能、三功能的可调谐超表面。最后, 对可调谐多功能超表面的进一步研究发展进行了展望。

为满足航天应用的激光源被动散热要求, 提出激光源内部大功耗器件散热解决方案, 设计了经由器件、印制电路板到金属结构的导热通道, 将热量由器件高效传输至激光源的金属结构, 确保器件温度在正常工作范围内；对激光源结构的设计和材料进行优化, 增加并优化散热通道, 进一步提升散热效率。仿真结果表明: 在高温工况下, 散热优化后的方案中芯片和激光器最高温度分别降低约100 ℃和1 ℃, 优化方案有效、可行。

为降低传输信道中障碍物反射对可见光通信产生的干扰和多径效应, 首先, 搭建了非对称限幅光正交频分复用(ACO-OFDM)仿真模型和信道模型, 仿真验证了采用基于正交幅度调制(16QAM)的ACO-OFDM调制在直射链路和反射链路中均有更好的抗噪性能。然后, 将级联BCH和卷积码的编码方式加入ACO-OFDM。仿真结果表明: 采用级联BCH码和卷积码的ACO-OFDM系统具有更高的抗噪性能以及更好的抗干扰性能, 改善了可见光通信性能。

为了提升了可见光通信(VLC)链路的可靠性, 针对传统VLC研究范式的局限性, 在典型室内应用场景将商用LUXEON Rebel非朗伯光波束引入到多输入多输出(MIMO)可见光发射器配置中, 对比分析了非朗伯MIMO VLC与朗伯MIMO VLC的误比特率(BER)性能表现。仿真结果表明: 较之于传统朗伯光波束的MIMO基准配置, 当房间中心接收位置BER≤10-6时, 所提出的非朗伯MIMO配置可以减少引入13.1% 的发射功率。

相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)已广泛应用在防入侵检测、建筑结构的裂缝健康检测和管道检测, 但其准确性和抗噪性能还需要提高。提出了一种基于Φ-OTDR的智能识别系统, 该系统采用神经网络算法进行智能识别, 并对振动强度进行识别概率化处理。实验结果表明: 提出的系统能够准确识别并定位入侵行为, 定位精度达到5 m以内。

为了深入研究大气湍流对光传播的影响, 以大气湍流波前畸变理论和光学成像原理为基础, 利用Zernike多项式展开法进行了大气湍流畸变相位图及光强图的数值模拟, 数值模拟值与残差的理论值一致。设置不同的输入参数模拟各种不同大气湍流强度下的畸变相位图、光强图和Zernike系数, 在基于深度学习的自适应光学系统中进行了相关测试, 获得了较好的校正效果。

控制光纤拉丝过程中的裸纤丝径波动是影响光纤拉丝质量的重要因素。给出了光纤拉制过程的数据模型, 分析了导致光纤拉丝中影响裸纤波动的因素, 介绍了光纤拉丝的整个过程, 进行了炉内温度场和气体流场对裸纤直径波动的采样数据测试, 并针对炉体结构、气体搭配和流量大小设计了相应的实验。实验数据表明: 通过改变加热炉、拉丝塔的结构以及惰性气体流速与配置可以减轻拉丝制造过程的扰动, 提高光纤裸纤直径波动的控制精度, 丝径波动范围从±1 μm提高到±0.5 μm。

为了说明线性啁啾光纤光栅能成为色散补偿技术发展的重要方向, 介绍了一种光纤光栅的耦合模理论模型, 提出了用于色散补偿的自构变迹函数线性啁啾光纤光栅, 并对线性啁啾光纤光栅与用于色散补偿的高斯变迹函数线性啁啾光纤光栅的反射谱及时延特性进行了数值仿真。仿真结果表明, 自构变迹函数下的线性啁啾光纤光栅对光纤色散具有更好的补偿效果。

针对基于波分复用技术的多通道射频光传输模块的通道间隔较小时, 因四波混频效应产生的带宽内杂散信号和高低温下波长漂移导致通道增益波动大的问题, 基于四波混频原理和光发射机波长调谐原理, 设计了多通道射频光传输模块增益波动和带内杂散解决方案, 采用波长组合的优化算法计算出满足要求的一组波长值, 通过温度调谐光发射机波长, 并使用一种基于调谐波长的调试系统进行了实验验证。实验结果表明: 该方案可以将杂散信号调试到工作带宽之外, 且同通道、同频点的全温增益变化小于2 dB。