小波滤噪在布里渊光纤传感技术中的应用

针对布里渊分布式传感技术在实际工程应用中的测试信号受外界环境干扰从而影响测试精度的问题,本文提出采用小波信号处理方法对布里渊分布式光纤传感技术的实测信号进行滤噪处理,并以基于布里渊光纤传感技术的实体智能拉索的应变测试数据进行了验证。实验结果表明,该信号处理方法可以有效的消除测试应变中的噪声,提高了索力测试精度,滤噪前后拉索总平均测试索力相对于控制索力的最大相对误差分别为8.8%和5.1%,适合对含噪布里渊传感测试信号进行的滤噪处理。

基于布里渊光纤传感的电网电压监测仪导线故障检测方法

电网电压监测仪导线长期受到自然环境影响和侵蚀,导线很容易劣化甚至发生断裂等故障。在此背景下,进行故障检测是十分必要的。针对以往检测方法准确性不足的问题,研究一种基于布里渊光纤传感的电网电压监测仪导线故障检测方法。该方法利用布里渊光纤传感技术采集电网电压监测仪导线的背向布里渊散射光电信号并对其实施去噪处理。提取布里渊光纤传感信号的两个时域特征,即峭度指标和峰值指标,两个频域指标,即频谱集中程度和频谱分散程度,由此组成特征向量。利用随机森林算法构建检测模型,以特征向量为输入,得出电网电压监测仪导线故障类型并借助脉冲激光开始发射到被采集这一过程中所花费的时间,计算出导线上故障发生位置,完成电网电压监测仪导线故障检测。结果表明:所研究方法应用下,检测出样本1发生了劣化故障,故障位置为距激光器2.63 m处,样本3发生了断裂故障,故障位置为距激光器7.08 m处,而样本2则没有发生故障。所研究检测方法的基尼系数相对更大,大于0.9,由此说明该检测方法的准确性更高。

土木结构的光纤光栅与布里渊共线测试技术

针对目前分布式应变测试技术存在精度和空间分辨率均较低、采样频率低、系统造价高等缺点,以及高精度的单点应变测试技术无法解决范围广、距离长、变形大、位置隐蔽等特征的结构损伤监测问题,考虑实际工程传感器布设占据结构健康监测系统造价的极大比例,提出将光纤布里渊全尺度传感技术和准分布式高精度光纤布拉格光栅测试技术相结合构建融合全尺度分布式和局部高精度共线的智能监测方法与集成系统,并研制开发出支持该技术方便实施的高强、高耐久性传感探头,即无焊点超长尾纤光纤光栅—纤维增强聚合物复合智能筋,通过三点弯曲钢筋混凝土梁应变分布试验和实体平行钢丝拉索索力测试试验,验证了该系统的有效性和突出优点。该技术有望为实际大规模、大跨度复杂结构提供理想的损伤监测手段。

光纤布里渊与布喇格光栅共线技术的温度互补偿

为了解决实际工程应用中光纤光栅和分布式布里渊共线技术测试应变的绝对温度补偿方法成本较高、不易布设等问题,采用光纤布里渊和布喇格光栅共线技术应变感知的温度互补偿方法,通过感知探头——双光纤光栅-纤维增强复合智能筋的室内和户外温度补偿试验探讨了该方法的有效性和适用性。结果表明,该方法可以实现光纤布里渊和光纤光栅的准分布式温度互补偿,误差低于8%,在工程接受范围内。此外,该技术还能同时给出应变和温度双参量测试结果,简化了传感系统,降低了布设成本,适合实际工程应用。

基于生成对抗网络的布里渊分布式光纤传感器降噪

首先,利用自洽约束生成对抗网络(SCGAN)建模布里渊增益谱(BGS)中的真实噪声分布,生成噪声数据用于去噪卷积神经网络训练。通过对高斯噪声和SCGAN生成噪声进行直方图统计和幅度谱分析,证明了两种噪声的差异。然后,利用2种噪声分别训练3种最新的去噪卷积神经网络,在不同温度、不同信噪比的实验数据上对比了各网络的性能。实验结果表明,所提方法能准确获取低信噪比BGS的布里渊频移,说明基于生成对抗网络的噪声提取方式能够有效地建模真实噪声,更好地训练有监督网络。

分布反馈半导体激光注入锁定及其光纤传感应用

选用普通商用带尾纤的分布反馈式(DFB)半导体激光器作从激光器,测试了DFB半导体激光注入锁定的基本特性,如不同注入光功率下的锁定带宽、模式频谱、相位噪声及输出光功率,证明了相干光注入锁定具有极大改善从激光器频谱纯度同时不影响其输出光功率的特性;锁定后的从激光器可看作一个窄带、可调谐的光滤波器,并能提供一定的功率增益,滤波器的中心波长和带宽完全由注入光信号决定。将DFB半导体激光注入锁定技术应用于基于微波电光移频的布里渊光纤传感,实现了具有布里渊频移的单频信号提取放大,解决了直流工作点漂移带来的光强波动问题。

Temperature and Salinity Dual-parameter Sensing Based on Forward Brillouin Scattering in 1060-XP SMF

A novel temperature and salinity discriminative sensing method based on forward Brillouin scattering(FBS)in 1060-XP single-mode fiber(SMF)is proposed.The measured frequency shifts corresponding to different radial acoustic modes in 1060-XP SMF show different sensitivities to temperature and salinity.Based on the new phenomenon that different radial acoustic modes have different frequency shift-temperature and frequency shift-salinity coefficients,we propose a novel method for simultaneously measuring temperature and salinity by measuring the frequency shift changes of two FBS scattering peaks.In a proof-of-concept experiment,the temperature and salinity measurement errors are 0.12℃and 0.29%,respectively.The proposed method for simultaneously measuring temperature and salinity has the potential applications such as ocean surveying,food manufacturing and pharmaceutical engineering.

采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比

物理相似模型试验是煤矿采场上覆岩层变形破坏规律研究的主要手段,将BOTDA,FBG与DIC光测方法相结合,建立“点-线-面”的试验测试系统以提高测试精度十分必要。基于光测原理,分析了BOTDA,FBG和DIC技术的应变测量,探究了应变局部化带对DIC检测应变的影响,BOTDA和FBG测试本质上是一种“线应变”,而DIC是“面应变”。统计已有的试验研究,得出了不同工况下物理模型试验BOTDA,FBG光纤应变监测数据范围。搭建3 m平面应力相似模型,模拟煤矿工作面开挖77次,推进240 cm。通过埋设在模型内部的1根BOTDA传感光纤以及3个FBG传感器对模型关键层内部变形状态进行监测,同时以DIC实时观测模型表面变形,研究这3种不同的光测技术所获得的关键层应变测试结果,进行对比分析覆岩变形破坏规律,得出3种不同的光测技术测试应变的量化关系,并分析他们对应变测试存在差异的原因。试验结果表明,BOTDA和FBG的测试应变量级相同,在均匀连续变形区域DIC与BOTDA监测的应变比值为15.52~16.70,在非均匀变形区域DIC与BOTDA监测的应变比值为27~133;在应变曲线峰前阶段,DIC与FBG测试应变一致性好,峰后阶段DIC更好地反映了上覆岩层的变形;尽管在测试结果上有量级的差异,但随着岩层变形破断以及离层裂隙的张开、闭合,3种光测方法均可以反映岩层内外部同步性的变形,其发展趋势基本一致,BOTDA,FBG和DIC应变曲线峰值位置偏差较小;对离层出现位置,FBG的偏差为1.13%,FBG测试结果更好;对关键层破断范围,DIC测试的破断范围偏差为1.62%,测试结果更好。

FBS Effect and Temperature Dependence in Trench-Assisted Multimode Fiber

We propose the trench-assisted multimode fiber(TA-OM4)as a novel sensing fiber in forward Brillouin scattering(FBS)-based temperature sensor,due to its higher temperature sensitivity,better bending resistance and lower propagation loss,compared with the single mode fiber(SMF)and other sensing fibers.The FBS effect and acousto-optic interaction in TA-OM4 are the first time to be demonstrated and characterized at 1550 nm theoretically and experimentally.A 2.0 km long TA-OM4 is put into an oven to measure its temperature sensitivity,which can reach up to 80.3 kHz/℃,exceeding 53%of SMF(52.4 kHz/℃).The simulated and experimental results verify that the TA-OM4 may be a good candidate as the sensing fiber for the FBS-based temperature sensor.

Theoretical analysis of the relationship between the Brillouin gain coefficient and the strain in the optical-fiber sensors

The relation between the power of the Brillouin signal and the strain is one of the bases of the distributed fiber sensors of temperature and strain. The coefficient of the Bfillouin gain can be changed by the temperature and the strain that will affect the power of the Brillouin scattering. The relation between the change of the Brillouin gain coefficient and the strain is thought to be linear by many researchers. However, it is not always linear based on the theoretical analysis and numerical simulation. Therefore, errors will be caused if the relation between the change of the Brillouin gain coefficient and the strain is regarded as to be linear approximately for measuring the temperature and the strain. For this reason, the influence of the parameters on the Brillouin gain coefficient is proposed through theoretical analysis and numerical simulation.

光纤陀螺光纤环质量检测评估技术研究

在研究光纤应力对陀螺性能影响的基础上，提出了将布里渊光纤时域分析光纤传感技术用于光纤环质量的检测评估。通过对光纤环的在线检测和热应力检测，能及时发现并消除光纤绕制中的应力尖峰及换层现象，了解热应力作用对光纤环性能的影响。实验表明，对光纤环的检测可以有效地对光纤环进行质量评估和筛选，对提高光纤环良品率和后续高精度光纤陀螺的研制有一定的借鉴意义。

基于正交相干接收的布里渊斯托克斯与反斯托克斯散射光分离技术

提出并设计了一种基于正交光相干接收的光载波上下边带信号分离技术,可用在布里渊散射分布式光纤传感系统中,实现对斯托克斯光和反斯托克斯光的无损分离。该技术利用正交光相干接收技术,保留了光场的相位信息,使光载波的上下边带在不同的输出端口处于相干叠加或相干抵消状态,从而实现上下边带的分离。结果表明,该技术可使光载波的上下边带分别从两个端口输出,且输出与输入信号功率线性相关,具有很好的线性度。分离之后的上边带光信号和下边带光信号之间的串扰小于-20 d B。与常用的光学滤波器方法相比,该技术无温度敏感器件,具有很好的稳定性和可靠性。

铌酸锂波导电光强度调制器的移频特性

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术是目前国内外研究的热点之一,在基于布里渊光时域反射技术的分布式光纤传感技术中,以相干检测的传感精度最高,其关键是获得具有布里渊频移的参考光。详细分析了电光强度调制器(EOIM)的光波移频特性,实验研究了15 Gbit/s的铌酸锂波导电光强度调制器光波长1550 nm处11 GHz移频的实现;当微波调制频率及功率一定时,可方便地调节直流偏置电压来改变各阶光波的强度。设置直流偏置电压为6.5 V时,调制器总的输出光强最小,具有布里渊频移的一阶光波的相对光强最大,信噪比(SNR)最高,可用于分布式光纤传感中布里渊信号的相干检测。