相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)凭借着传感距离长、铺设简单、耐腐蚀和抗电磁干扰等特点被广泛应用于分布式振动监测领域。随着传感任务多样化及人工智能的广泛应用, 对振动事件的类型识别成为研究的热点方向。为了使读者能更好理解识别分类器研究进展和发展趋势, 先后介绍了传统 识别分类器和基于深度学习的神经网络识别分类器, 对不同分类器性能指标、优缺点和应用场合进行了比较, 最后对Φ-OTDR振动事件识别研究方向进行了展望。

针对传统米散射激光雷达结构复杂和设计成本高的缺陷, 提出一种用来探测大气气溶胶的便携式米散射激光雷达系统。首先设计了收发同轴的光学系统结构, 然后对光电探测器进行了独立设计, 最后基于系统结构搭建了可移动式米散射激光雷达实验平台, 对大气气溶胶进行了初步探测。实验结果表明: 采用设计的电源滤波器滤波后, 开关电源原始纹波电压幅度从0.1 V降低到了0.01 V内, 噪声幅值控制在0.1 V左右; 系统在白天、夜晚的斜程探测距离分别为4.5、6 km, 可以对特定区域的气溶胶进行实时监测。

针对多普勒测风激光雷达探测大气回波信号微弱和噪声干扰大的问题, 提出了基于小波变换的半软阈值算法。首先, 对基于小波变换的半软阈值算法原理进行分析, 搭建了以马赫-曾德干涉仪作为鉴频器的非相干多普勒测风激光雷达系统; 然后, 采取硬阈值、软阈值和半软阈值3种算法对激光雷达探测回波信号进行实验。实验结果表明: 与其它阈值法相比, 半软阈值的信噪比(SNR)为4.933 5 dB, 均方根差(RMSE)为0.676 2, 去噪效果更优良, 有效地提高了大气风速探测精度。

为了降低传感器结构复杂度和提高传感器温度灵敏度, 提出一种双侧抛D型、包层为正六边形和正八边形的光子晶体光纤表面等离子共振(SPR)温度传感器, 利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件分别研究了偏振方向、空气孔径、银膜厚度对传感器的性能影响, 找出各项数据的最优值, 并以此为基础对传感器的温度传感特性进行了分析。仿真结果表明: 在x偏振方向模式下, 当包层空气孔d1=1 ?滋m、d2=0.5 ?滋m,金属银膜厚度tAg=35 nm时, 传感器的性能最优, 在0～120 ℃时传感器的温度灵敏度最高可达-7.99 nm/℃。

针对现有光纤传感器测量温度、磁场强度时灵敏度较低的问题, 提出了一种基于光信号的光纤温度磁场传感器。传感器以长周期光纤光栅(LPFG)级联光纤布喇格光栅(FBG)作为传感结构, 以磁流体作为磁性敏感材料, 采用HF溶液腐蚀光纤包层来提高灵敏度。首先介绍了传感器实现温度和磁场强度的双参量测量原理, 然后利用Optigrating仿真软件对LPFG-FBG传感单元进行模拟仿真, 最后根据仿真结果制作传感器并搭建实验环境进行温度和磁场强度的测量实验。实验结果表明: 当温度为35~85 ℃时, 传感器的温度灵敏度为85.7 pm/℃; 当磁场强度为4~20 mT时, 磁场强度灵敏度为65 pm/mT, 且稳定性良好。

针对采用传统自组光纤激光器的光纤传感系统存在成本较高和结构复杂等问题, 提出了一种基于商用激光器强反馈的光纤迈克尔逊干涉仪(FMI)传感解调系统。该系统采用商用法布里－珀罗腔型半导体激光器(FP-LD)为光源, 由直流电源直接驱动, 经FMI的反射、干涉后对其形成强反馈; 利用多纵模激光拍频解调技术实现对FMI的传感解调, 将FMI光域干涉光强的变化直接转化为电域拍频包络的变化。研究了不同FMI臂长差时拍频信号随温度的变化过程及传感系统灵敏度。实验结果表明: 当臂长差分别为0.45、0.40 m时, 灵敏度分别为325、358.33 kHz/℃。

基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的分布式光纤振动探测是海缆锚害预警的重要防护手段。针对探测海缆锚害的入侵事件类型判别需求, 提出将反向传播(BP)神经网络分类器应用于基于Φ-OTDR的海缆防锚害系统中, 介绍了基于Φ-OTDR+BP神经网络分类器的海缆防锚害系统原理, 采用信号时域特征和时频域特征作为特征向量, 构建基于BP神经网络的分类器, 实现了对入侵事件类型的判别。试验结果表明, 分类器的模式识别准确率达到100%。

为了保证油气井高温分布式温度测量的准确度, 设计了高温单模喇曼自校准监测系统, 分别介绍了系统中分布式喇曼测温系统、光纤光栅温度校准系统的工作原理, 并对系统的测温范围和测温精度进行了800 ℃的高温监测实验。实验结果表明: 在测温距离为0~1 km, 温度范围为0~800 ℃条件下, 该系统的温度分辨率为0.1 ℃, 测温精度为±2 ℃, 基本满足高温分布式温度监测要求。

在分层非对称限幅光正交频分复用(LACO-OFDM)中, 采用离散哈特莱变换(DHT)可以弥补采用快速傅里叶变换(FFT)时存在的频谱效率不高的缺陷, 但在接收端多层信号的分离仍存在计算复杂度高的问题。结合DHT-LACO-OFDM信号的时域对称和反对称特性, 提出一种基于时域重构的分层信号接收方法, 在时域把叠加的信号进行分层接收。研究结果表明, 相比于传统的时频域结合的迭代接收方式, 基于时域重构的分层信号接收方法在误比特性能上与传统的迭代接收方式几乎相同, 但计算复杂度约降低为原来的一半。

研发大功率、高能量、高效率且能在室温下稳定运行的太赫兹辐射源是太赫兹技术领域迫切需要解决的实际问题。基于瞬态光电流模型, 采用数值仿真方法研究了三色激光脉冲诱导液体介质产生太赫兹波的物理过程, 分析了相位差、强度比、波长以及脉宽对太赫兹辐射的影响。仿真结果表明: 二次谐波和三次谐波相对于基波的相位差、强度比、波长、脉宽等都对太赫兹电场有明显的影响。同时, 只有电离率随着激光电场振荡变化的隧穿电离机制才能产生瞬态光电流, 从而得到太赫兹辐射。

为了有效降低弹性光网络的频谱碎片程序和阻塞率, 提出一种基于图着色模型的弹性光网络频谱分配算法。首先, 对弹性光网络建立图着色模型, 将频谱分配问题转化为带权值的图上色问题, 然后提出了2种改进的上色算法(链式搜索法和改进的贪心算法)。仿真结果表明: 与度最大着色算法相比, 改进的2种上色算法能更好地优化频谱资源并降低平均链路阻塞率。

针对用于起重机械结构健康监测的光纤布喇格光栅(FBG)应变传感器疲劳性能未知问题, 采用动态载荷与静态拉伸相结合的试验方法, 对起重机械钢结构疲劳损伤监测中的3种封装形式FBG应变传感器开展了疲劳性能研究, 分析了反映传感器性能的灵敏度系数、带宽、边摸抑制比、峰谷比、零点波长、动态应变分别随疲劳次数增加时的变化情况。试验结果表明: 3种封装方式的FBG应变传感器疲劳前后, 在加载、卸载相同载荷时, 灵敏度系数相差最大不超过0.1 pm/με, 带宽均值为0.19~0.23 nm, 峰谷比和边摸抑制比随疲劳次数的增加变化趋势相同, 零点波长变化最大值为0.31 nm, 动态应变符合二次指数函数分布特征。

针对高速旋转设备分布式测量需求, 设计了一种单通道光纤旋转连接器(FROJ), 并进行了性能测试。以此单通道FROJ为基础, 采用磁光开关通过时分复用方式设计了四通道FROJ, 在静态和动态条件下分别测试了其插入损耗。实验结果表明: 该四通道FROJ的插入损耗小于4.5 dB,旋转变化量小于2 dB, 在转速不超过600 r/min时可以实现光信号的可靠传输。

为了增加喇曼光纤放大器(RFA)的输出带宽, 减小增益平坦度。利用OptiSystem软件仿真分析了不同参数设置下的增益特性与泵浦源的关系, 对泵浦功率、泵浦波长、光纤长度和有效作用面积进行了优化设计与仿真。仿真结果表明: 提出的优化方法可使RFA的增益在设定范围内获得最大值, 并且通过改变相关参数得到较好的增益平坦度。

为解决传统通信机房和数据中心中光配线架光纤跳线布线不规范、光缆冗余过多的问题, 提出一种光纤配线路由智能排查系统。首先, 采用高性能、低成本的微型控制器STM32芯片控制光收发系统, 通过电-光-电信号的数据收发实现光纤配线路由排查; 然后, 设计基于通用运算放大器LM358、中继技术进行定量放大和中继处理; 最后, 采用OptiSystem软件对系统的性能进行仿真测试。测试结果表明: 系统的动态范围最大达到9.24 dB,能实现光纤传输距离为46 km的排查功能; 同时, 系统中再生信号的质量得到了提高, 能有效延长系统传输距离。

为探究IQ不平衡产生机理, 结合偏振复用(PDM)、16进制正交幅度调制(QAM)、相位共轭孪生波(PCTW)、正交频分复用(OFDM)、波分复用(WDM)等技术, 采用OptiSystem软件搭建了PCTW-OFDM-WDM系统, 分析了概率整形、串扰、统计相关噪声引起IQ不平衡的机理。理论分析和仿真结果表明: IQ不平衡是由多种因素造成的, 只有过大的IQ不平衡才会对系统性能产生较为明显的影响; 几何整形方案对系统IQ不平衡和性能改善的作用有限; 在时隙和子载波PCTW模式下, 适当地改变共轭分量的分布位置可有效改善IQ不平衡, 并获得比相邻结构更好的传输性能表现。

高速实时数字多波束成形系统主要采用光纤传输技术传输数据, 而光纤可能受到体积、光衰、价格、安装等限制, 引入高清数字视频传输技术可以有效解决此问题。提出了一种同轴电缆多波束数据传输方案, 该方案由高速串行收发器、驱动器、均衡器等组成, 其原理是基于串行数字接口技术实现多波束数据高速传输。设计了仿真实验并进行了实物测试, 仿真和测试结果表明该方案可以达到与光纤传输方案相同的性能。