基于超弱光纤布拉格光栅的声速测量方法

利用超弱光纤布拉格光栅对振动的敏感特性,提出了一种基于分布式光纤声学传感的声速测量方法。通过测量声速传递过程中不同超弱光纤布拉格光栅传感器接收到声音信号的时差来计算声速。该方法可以测量不同温度下的声速,其测量值与理论值误差小于0.5%。为声速测量提供了新的方法。

弱反射光纤光栅水听器拖曳线列阵

提出一种细尺寸、大孔径、高增益的弱反射光纤光栅水听器拖曳线列阵。根据匹配干涉方法选用反射率一致、中心波长相同以及3 dB带宽较宽的弱反射光纤光栅阵列;根据水声传感原理确定弱反射光纤光栅阵列的栅距以应用于5~10 Hz甚低频水声信号探测。采用光纤涂覆机对弱反射光纤光栅阵列二次涂覆,阵列中心波长整体一致漂移,栅距基本不变。采用扎纱机和护套机在二次涂覆弱反射光纤光栅阵列外铺设凯夫拉纤维和聚氨酯保护套形成水听器拖曳线列阵。测试拖曳线列阵水听器单元的声压-相位灵敏度在1 rad/μPa条件下分别为−136.97 dB@5 Hz、−139.64 dB@7.5 Hz、−139.36 dB@10 Hz;分析流噪声引起的水听器自噪声功率谱,拖速为8 m/s、频段为1~100 Hz的谱值在45~95 dB(1μPa2/Hz)范围内。实验和分析结果表明,所提出的弱反射光纤光栅水听器拖曳线列阵甚低频段灵敏度高、流噪声低,有望增强无人航行器的甚低频水声信号探测功能。

基于超弱光栅传感阵列的钻机违法入侵地铁线路识别定位方法

实时监测和及时报警地铁线路上方钻机的违法入侵对地铁安全管理十分重要。分布式光纤传感技术是一种满足长距离、远程实时监测需求的有效手段。为及时发现和定位地铁线路上方钻机违法入侵,超弱光栅传感阵列被用于采集钻机入侵事件引起的分布式振动响应。基于钻机设备发动机的振动信号特征,提出了可实时识别并定位钻机违法入侵的方法。现场试验结果表明,提出方法具有抵抗地面及地下交通荷载干扰的能力,可以及时、准确地识别和定位模拟的钻机违法入侵事件。

光频域反射与超弱光纤布拉格光栅技术的结构监测性能

为研究光频域反射(OFDR)和超弱光纤布拉格光栅(UWFBG)技术在桥梁钢结构中的监测性能,开展了H型钢梁弯曲测量实验。沿钢梁通长布设了四根光纤,在重、轻载工况下进行了钢梁四点加载受弯变形的分布式应变测量实验。结果表明,OFDR和UWFBG技术在钢梁分布式应变测量中均表现出较好的监测性能,相比应变片的测试结果,重载工况下OFDR和UWFBG的平均测量误差分别在3με和2με内,轻载工况下OFDR和UWFBG的平均测量误差分别在2με和1με内。0.9 mm紧套光纤和裸纤的测试结果相同。这表明紧套不会降低光纤的应变传递率。此外,通过实验设计可提高UWFBG技术测量结果的空间分辨率,提高程度取决于布设光纤自身的栅点密度和相邻光纤之间的相对栅点间隔。

采用弱反射光纤布拉格光栅的声波方向检测

提出一种用于声波方向检测的弱反射光纤布拉格光栅(WFBG)分布式传感器,并进行了实验验证。将两个相邻WFBG间的分布式传感光纤用于检测声波振动信号。两段传感光纤解调的信号相位差对应于声波到达的时间差,再由时间差计算得到声波方向。一段长50 m的传感光纤环放置于振动液柱内,测得其平均声压灵敏度为-155.10 dB(re rad/μPa);两段50 m的传感光纤分布放置在木地板上用于接收正弦声波,探测方向的均方根误差为1.35°。理论推导和实验结果表明,这种分布式传感器能够实现对声波方向的检测,与传统基底缠绕光纤结构相比尺寸超细,有望搭载在水下无人航行器上,实现对水下发声目标的探测。

二次涂覆增敏型弱反射光纤布拉格光栅水听器

提出一种二次涂覆增敏型弱反射光纤布拉格光栅(WFBG)水听器。把二次涂覆WFBG水听器看作三层复合材料构成的圆柱,采用待定系数法描述三层区域应力、应变、径向位移,根据径向位移、径向应力、轴向应力边界条件求得待定系数,获得光纤应变受声压影响的规律,进而得到光脉冲在光纤中的相位变化。制备直径为0.4 mm的高密度聚乙烯涂覆WFBG水听器,采用振动液柱法测试5,7.5,10 Hz频率下水听器的相位-声压灵敏度,与裸WFBG阵列比较,水听器增敏效果达40 dB。理论和实验结果表明,三层复合材料应力模型为WFBG阵列二次涂覆增敏提供了理论支撑,制备的WFBG水听器尺寸细、灵敏度高,有望构建细尺寸、大孔径、强增益的WFBG水听器拖线阵。

基于超弱光纤布拉格光栅的高信噪比分布式振动传感系统

提出了一种基于超弱光纤布拉格光栅的高信噪比(SNR)分布式振动传感系统。该系统用3 dB带宽超过3.4 nm、反射率为10-5的在线制备啁啾光栅阵列作为传感光纤,通过典型双脉冲调制方式和3×3耦合器进行相位解调。为了消除激光器、调制器和光放大器等光学元器件带来的各类噪声干扰,结合最小均方算法和对称探测结构进行自适应滤波。实验结果表明,相比小波去噪算法,本算法能有效降低系统噪声,最大可将1 kHz解调信号的高频本底噪声降低40.1 dB,SNR达到96.5 dB;对于2 km长的传感光纤,系统在1~5 kHz的应变灵敏度可达到13.66 pε/√Hz。

采用小波变换提取弱反射光纤布拉格光栅干涉信号

提出一种提取基于迈克耳孙干涉的弱反射光纤布拉格光栅(WFBG)时分复用系统中干涉信号的方法,以降低数据采集量并提高零差对称解调精度。对光强信号进行连续小波变换,寻找变换系数的极值,相邻的极小值和极大值用于界定激光干涉区间。针对不同宽度的激光脉冲工况,调整小波尺度因子,以寻找干涉区间,分别基于干涉区间内光强信号的最大值和平均值得到干涉信号,最后采用零差对称算法解调干涉信号的相位信号。将WFBG传感器放入振动液柱内,多次测量同一弱正弦信号,并对测量信号进行正弦曲线拟合。拟合结果显示采用连续小波变换提取短脉冲干涉区间并以平均值法计算干涉信号有助于提高该传感系统的零差对称解调精度。

基于光频域反射技术的超弱反射光纤光栅传感技术研究

光纤光栅传感技术近年来的快速发展对复用容量和空间分辨率提出了更高的要求。采用超弱反射光纤光栅（FBG）结合光频域反射技术（OFDR）,实现了大容量、高空间分辨率的准分布式光纤光栅传感网络的解调。通过对拍频信号分离的优化和非线性矫正,利用拍频信号的频谱信息,实现了高空间分辨率的光纤光栅位置信息的提取,并进行各个光栅拍频信号时域上的分离,再结合希尔伯特变换还原光栅的反射光谱信息,实现光栅的波长解调。实现了单根光纤上200个间隔为20 mm、中心波长为1552.8 nm、反射率仅为0.1%的全同超弱反射光纤光栅的解调。实验结果表明,在-10℃~80℃的温度范围内,各个光栅的中心波长随温度变化的线性度达到99.6%以上。

弱光纤布拉格光栅阵列的偏振补偿解调

针对弱光纤布拉格光栅阵列的偏振衰落现象,通过理论推导分析了双折射效应诱发的传输脉冲光偏振态变化对干涉光强信号的影响,指出交流项系数耦合是引起零差对称算法解调信号失真的主要原因。为减小该影响,提出了一种基于实时偏振态测量、可消除交流项耦合系数的偏振补偿方法。仿真结果表明,偏振补偿的零差对称算法能在大动态范围内实现稳定的解调输出,有效解决了常规零差对称算法解调过程中出现的信号大范围跳变问题。

基于全同弱反射光栅光纤的分布式传感研究

利用弱反射光栅低反射率的特性,提出了基于全同弱布拉格反射光栅的分布式光纤传感方案。采用"光波长时域反射"解调技术,进行定位和解调,实现高密集度的准分布式传感。从理论上分析了光纤光栅反射率、光栅单元间隔以及传输损耗等对传感系统复用容量的影响。结果表明,这种方法可以有效提高光栅传感系统的复用容量,并降低信号解调成本。实验验证了该方案的可行性,系统复用了4个反射率为6%的光纤布拉格光栅(FBG),实现了单点、多点测量,温度测量的分辨力达到0.12℃。

一种超弱光纤光栅阵列的定位方法

光栅定位是大规模超弱光纤光栅阵列制备及铺设质量检测的关键技术之一。针对传统光时域反射仪定位超弱光栅时存在的问题,提出了一种超弱光栅阵列的相位-强度二维定位方法。该方法采用光栅时域反射技术查询阵列中的单体光栅,通过调节选择脉冲和入射脉冲之间的相位差,捕捉反射信号的光强峰值,实现对目标光栅的准确定位。构建了超弱光栅阵列的定位系统,对1009个平均反射率-34 d B、间隔2.5 m的超弱光栅阵列进行了定位实验,定位误差小于10 cm。

滑坡光纤神经感测系统:技术与应用

滑坡灾害在我国分布广泛,实施有效的监测预警和风险管理措施是该领域防灾减灾的关键。近几十年来,分布式光纤传感技术(distributed fiber optic sensing,简称DFOS)在滑坡监测领域取得了显著进展,相较于常规监测方法具有分布式、长距离、大量程和多参量监测的优势。首先介绍了几种有代表性的光纤传感技术,提出滑坡光纤神经感测系统的概念,并详细阐述了各类光纤传感器的工作原理及其布设工法。在此基础上,介绍了2个利用超弱反射光纤布拉格光栅(ultra-weak fiber Bragg grating,简称UWFBG)监测技术的典型滑坡案例,并进一步讨论了当前存在的技术瓶颈。案例分析结果表明,光纤神经感测系统能实现远程、实时、高精度的地下多参量数据采集,可准确探测潜在滑面及其他关键界面位置,界面处的多物理量变化为揭示滑坡地下演化过程提供了重要的数据支持,为滑坡预测预警提供了新的思路。