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
暨南大学信息科学技术学院电子工程系，广东 广州 510623
提出了基于新阈值函数的深度残差收缩网络（DRSN-NTF），用于解决分布式光纤声传感（DAS）信号噪声强、识别难的问题。DRSN-NTF基于深度残差收缩网络（DRSN），使用新阈值函数代替软阈值函数，使其更能发挥信号噪声处理和分类识别能力。使用DAS系统采集周界入侵事件的实验数据，并通过添加高斯白噪声的形式，设计了6组不同信噪比（0 dB~5 dB）的实验。对比了4个模型的实验结果，由此考察DRSN-NTF的识别效果。结果发现：在强噪声的情况下，DRSN-NTF取得的平均测试准确率比DRSN高1.05%；随着信噪比的降低，DRSN-NTF的测试准确率高于DRSN的差值增大，表明DRSN-NTF在信号噪声处理和分类识别能力方面更强，能获得相对更高的识别准确率。因此，DRSN-NTF更加适用于DAS信号识别。
光纤光学 光纤传感器 模式识别 深度残差收缩网络 新阈值函数 周界安防 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0506002
上海大学特种光纤与光接入网重点实验室，特种光纤与先进通信国际联合研究实验室，上海 200444
在通信波段研究了基于亚波长尺寸微纳光纤的光热光谱气体传感技术，利用锥腰直径为1 μm的微纳光纤代替传统的自由空间光气室和空芯光纤实现紧凑的全光纤结构，其引导的倏逝场被气体吸收后会激发光热效应。仿真结果表明，约25%的光波以倏逝场的形式沿光纤表面传播，可提供的光热效应强度约为空芯光纤的187倍。通过外差干涉法在微纳光纤提供的4 mm超短有效传感光程上实现了1512.24 nm处10-6级别氨气（NH3）检测。当使用的泵浦光功率为3.6 mW时，得到1σ噪声等效检测下限为39×10-6，30个泵浦调谐周期内探测信号的不稳定性小于0.5%。
光谱学 光热光谱 微纳光纤 外差干涉 光纤传感器 NH3检测 光学学报
2023, 43(16): 1623026
1 天津工业大学电子与信息工程学院，天津 300387
2 天津市光电检测技术与系统重点实验室，天津 300387
3 天津工业大学工程实训中心，天津 300387
针对干涉型光纤传感器，提出一种利用虚拟干涉仪实现灵敏度可调控的光学游标增敏方法，并将其应用于光纤法布里-珀罗（FP）温度传感器的增敏测量中。通过将拉锥光纤插入封有UV胶的毛细管中制得所设计的温度传感器，利用UV胶在不同温度下的体积膨胀与收缩改变FP腔长，使其干涉谱发生漂移，从而实现温度测量。根据干涉公式得到虚拟干涉谱，该虚拟干涉谱与温度传感器干涉谱叠加后产生并联式光学游标效应，通过测量叠加谱包络的漂移实现温度的增敏测量。在分析游标增敏原理的基础上，通过改变双腔长度，对游标包络的放大情况进行了仿真，制备出温度传感器样品，通过实验实现了多种温度灵敏度的调控，验证了该增敏方法的可行性。该游标增敏方法避免了实体参考干涉仪引入的误差，且灵敏度调控更加灵活和准确，具有较好的应用前景。
传感器 光纤传感器 法布里-珀罗干涉仪 游标效应 温度测量 中国激光
2023, 50(13): 1310002
中北大学 仪器与电子学院 动态测试技术省部共建国家重点实验室，太原 030051
提出并实验验证了一种全石英光纤法布里-珀罗高温动态压力传感器，利用MEMS技术及三层石英玻璃高温热压键合技术实现了传感器敏感单元的批量化制造。为了减小传感器的温度系数，将敏感单元、中空石英管及镀金光纤通过CO2激光熔接技术进行熔接，从而实现全石英结构光纤压力传感器的制作。对制作的传感器进行了高温静压及常温动压测试，高温静压实验结果表明传感器能在800 ℃，1 MPa温压环境下正常工作，且传感器表现出了良好的高温稳定性及超低温度系数（0.069 nm/℃）。常温动压测试结果表明传感器能实现2 kHz的动态压力测量。由于该种传感器具有全石英无胶粘结构，可批量化制造敏感单元以及超低温度系数的优点，使得该种全石英光纤法布里-珀罗动态压力传感器在高温环境下的动态压力测量领域具有潜在的应用潜力。
光纤传感器 法布里-珀罗 干涉 石英 压力测量 Fiber optics sensors Fabry-Perot Interferometry Silica Pressure measurement
1 南京航空航天大学空间光电探测与感知工信部重点实验室, 江苏 南京 211106
2 南京航空航天大学理学院, 江苏 南京 211106
为了提高光纤宏弯温度传感器的性能,提出了一种基于聚酰亚胺(PI)涂覆的新颖光纤宏弯温度传感器。利用基于纤芯-包层-无限涂覆层结构的光纤弯曲损耗-温度测量方法确定了传感器的光纤弯曲半径,将PI薄膜涂覆在1060-XP光纤包层外获得了新型的光纤宏弯温度传感器。该传感器的温度传感实验结果表明,PI涂覆不仅能提升光纤的机械性能和耐热性,还可实现温度灵敏度和温度测量分辨能力的显著提高。该新颖的光纤宏弯温度传感器可实现-20~100 ℃的宽温测量范围,温度灵敏度为0.072 dB/℃,分辨能力为0.14 ℃。与其他光纤宏弯温度传感器相比,所设计的传感器的温度传感性能显著提高。
光纤光学 光纤传感器 光纤宏弯 纤芯-包层-无限涂覆层结构 温度传感 聚酰亚胺
Author Affiliations
Abstract
State Key Laboratory of Inertial Technology, Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074, China
This study proposes a novel interferometric fiber optic gyroscope (IFOG) based on an integrated optical chip, application-specific integrated circuit, and small-diameter sensing coil. The overall size and weight of the prototype are and 68 g, respectively, making it the smallest closed-loop IFOG, to the best of our knowledge. A static experiment shows that the bias stability of the integrated IFOG is very close to the theoretical accuracy limit determined by the fiber coil and can satisfy the requirements of near-navigation-grade compact inertial navigation systems.
gyroscopes fiber optics fiber optics sensors integrated optics Chinese Optics Letters
2022, 20(4): 040601
1 广东工业大学信息工程学院，先进光子技术研究院，广东 广州 510006
2 广东省信息光子技术重点实验室，广东 广州 510006
3 河源广工大协同创新研究院，广东 河源 517000
为了进一步增加光纤通信容量，作为空分复用实现方案之一的多芯光纤技术吸引了人们越来越多的研究兴趣。与此同时，基于多芯光纤的各种新型有源、无源光器件也不断涌现。其中，多芯光纤光栅，由于结合了多芯光纤与光纤光栅的独特优势，为新型全光纤器件的设计和应用提供了多种可能，在光纤通信、光纤传感、光纤激光器等领域具有广泛的应用空间。本文分别从多芯光纤选择性刻写和全芯刻写出发，详细介绍了多种基于不同光源、不同写入方式的多芯光纤光栅刻写方案，并结合不同应用场景，分析了不同方案的技术特点。
光纤光栅 光纤通信 光纤传感器 多芯光纤 光栅刻写 激光与光电子学进展
2022, 59(3): 0300004
上海大学通信与信息工程学院，特种光纤与光接入网重点实验室，特种光纤与先进通信国际合作联合实验室，上海 200444
高精度的单细胞温度分布检测对于研究生命活动具有重要意义。为了实现高空间分辨率、高温度灵敏度的细胞测温，本研究团队基于原子力显微镜的扫描成像原理，将对温度敏感的量子点与音叉驱动的近场光纤探针相结合，提出了一种无损伤测量活细胞表面温度分布的方法；并以人脑星形胶质母细胞瘤细胞为研究对象，利用该方法检测了吞金纳米颗粒的固定细胞和未内吞金纳米颗粒的活细胞的温度分布。结果表明：在无金纳米颗粒作为附加热源的情况下，由活细胞内部产热引起的细胞表面最大温差超过0.5 ℃，而细胞与其外部环境间的温差大于2.5 ℃。所提活细胞无损测温方法的空间分辨率小于0.2 μm，温度分辨率为0.16 nm/℃，为活细胞温度分布成像提供了新思路。
生物光学 光纤传感器 近场光纤探针 量子点 测温 活细胞
提出了一种基于双波长解调的光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot, FP）干涉型传声器, 采用归一化算法和微分交叉相乘处理（DCM）算法, 实现了声信号的准确还原。在归一化算法中, 利用椭圆拟合, 实现了两路波长光信号的归一化, 减小了激光器输出波动对光纤FP干涉型传声器输出特性的影响; 在DCM算法中, 通过信号处理及滤波, 实现了声信号的准确输出, 减小了温度等环境因素对光纤FP干涉型传声器输出特性的影响。在实验中, 采用对比法, 测试了基于双波长解调的光纤FP干涉型传声器的特性, 结果显示器件实现了灵敏度为210mV/Pa、频率响应为100~3150Hz的声信号测量, 能够很好地应用于语音识别、噪声测量、空气声探测等领域。
光纤传感器 光纤传感 相位解调 法布里-珀罗干涉 fiber optics sensors optical fiber sensing phase demodulation Fabry-Perot interference
