天津大学精密仪器与光电子工程学院，光电信息技术教育部重点实验室， 天津市光纤传感工程中心，天津 300072
提出一种基于光频域反射（OFDR）差分相位解调的拉锥光纤分布式折射率传感方法。首先，理论分析了差分相位解调方法的原理并仿真计算了相位随外界折射率变化的灵敏度特性。实验中利用平均去噪与小波平滑实现了340 μm传感空间分辨率的分布式折射率传感解调，其中有效传感区域的长度为45 mm，相位与外界折射率变化的线性拟合度为0.997，各折射率下的最大标准差为0.0067 rad，灵敏度为1328.6 rad/RIU，接近仿真结果1483.7 rad/RIU。与互相关解调方法相比，差分相位解调方法的线性拟合度与标准差均较优，且传感空间分辨率提升了10倍。这种基于差分相位的解调方式为实现微米级分布式生物传感提供了思路。
光纤光学 分布式光纤传感 折射率传感 光频域反射技术 差分相位解调 拉锥光纤
红外与激光工程
2024, 53(2): 20230602
1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 信息光子技术工业和信息化部重点实验室，北京 100081
光频域反射计（OFDR）是一种分布式光纤测量技术。将扫频激光注入光纤链路，对后向瑞利散射光进行频域分析，定位光纤链路上的反射点位置及强度。由于其具有高精度、高空间分辨率等特点，广泛地应用于航空航天、智能结构、材料加工、光学网络监测、生物医学等高精度测量及制造领域。本文阐述了OFDR的基本原理，介绍了提升OFDR系统性能的关键技术研究进展，最后总结了OFDR在不同领域的应用，展望了未来的发展趋势。
光频域反射计 分布式光纤传感 后向瑞利散射 频域分析 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0500002
1 三峡大学湖北省弱磁探测工程技术研究中心，湖北 宜昌 443002
2 三峡大学理学院，湖北 宜昌 443002
提出了一种基于超弱光纤光栅阵列的长距离传感系统。基于超弱光纤光栅的离散分布和高信噪比特点，采用分段采集的方法降低系统对数据缓存和计算能力的要求，利用ZYNQ（ZYNQ-7035 All Programmable SoC）嵌入式底层硬件实现对选定空间上10 km传感段的解调。采用OptiSystem软件仿真分析系统的功率预算，精准设计入纤脉冲光功率以及拉曼光纤放大器的配置，结合电路的动态分段增益，实现长距离传感系统中的功率均衡，并搭建实验系统予以验证。结果表明：系统工作距离可以达到50 km，传感信号的强度波动小于2.2 dB，空间分辨率为1.5 m，解调速度为0.3 Hz，远端的解调精度稳定在6 pm以内，温度测量精度为±0.15 ℃，应变测量精度为±5.5 με。系统整体性能优于传统的分布式布里渊传感系统，且具有良好的可扩展性，在长距离光纤温度、应变感测上具有明显的技术优势。
光纤布拉格光栅 长距离传感 光纤传感系统 拉曼光纤放大器 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0506005
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
Author Affiliations
Abstract
1 College of Optical and Electronic Technology, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China
2 College of Materials and Chemistry, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China
The pandemic of respiratory diseases enlightened people that monitoring respiration has promising prospects in averting many fatalities by tracking the development of diseases. However, the response speed of current optical fiber sensors is still insufficient to meet the requirements of high-frequency respiratory detection during respiratory failure. Here, a scheme for a fast and stable tachypnea monitor is proposed utilizing a water-soluble C60-Lys ion compound as functional material for the tracking of humidity change in the progression of breath. The polarization of C60-Lys can be tuned by the ambient relative humidity change, and an apparent refractive index alteration can be detected due to the small size effect. In our experiments, C60-Lys is conformally and uniformly deposited on the surface of a tilted fiber Bragg grating (TFBG) to fabricate an ultra-fast-response, high-sensitivity, and long-term stable optical fiber humidity sensor. A relative humidity (RH) detecting sensitivity of 0.080 dB/% RH and the equilibrium response time and recovery time of 1.85 s and 1.58 s are observed, respectively. Also, a linear relation is detected between the resonance intensity of the TFBG and the environment RH. In a practical breath monitoring experiment, the instantaneous response time and recovery time are measured as 40 ms and 41 ms, respectively, during a 1.5 Hz fast breath process. Furthermore, an excellent time stability and high repeatability are exhibited in experiments conducted over a range of 7 days.
humidity sensor fullerene derivative optical fiber sensing tilted fiber Bragg grating nanomaterials Chinese Optics Letters
2024, 22(2): 021201
1 常州工学院光电工程学院，江苏 常州 213032
2 南京大学智能光传感与调控技术教育部重点实验室，江苏 南京 210093
3 得克萨斯州立大学英格拉姆工程学院，美国 得克萨斯78666
噪声的抑制对于相位光时域反射仪实现相位信号的精确测量至关重要。为此，在相干探测型相位光时域反射仪中采取了幅度形式噪声抑制和相位形式噪声抑制的双层处理方法，并且在“慢时间轴”和“快时间轴”两个方向上对相位形式的噪声进行抑制。首先，在正交解调时采用数字低通滤波器抑制幅度形式的噪声，以正确求解未解缠绕的包裹相位；接着，在“慢时间轴”方向上采用小波分解与重构的方法实现噪声的抑制，并借助相干探测型相位光时域反射仪相位变化线性分布的空间特征和噪声的随机性同时结合相关计算获得最佳小波分解层数；最后，在“快时间轴”方向上使用整体最小二乘的数据拟合方法进行噪声的抑制。实验结果表明：采用三重降噪得到的相位信号的均方根误差为0.17832 rad，比没有采用“慢时间轴”小波降噪的二重降噪方法降低了23.3%。这表明使用包含“慢时间轴”方向小波降噪的三重降噪方法能够实现更精确的相位信号测量。
光纤光学 光纤传感 相位光时域反射仪 定量测量 噪声抑制 小波降噪
1 厦门大学航空航天学院，福建 厦门 361005
2 北京宇航系统工程研究所，北京 100076
针对分布式光纤传感器在航空航天领域应用中存在的应变读数异常现象，提出一种可检测和快速清除分布式光纤传感器应变读数异常的自适应后处理算法，以提高传感器监测精度与数据可靠性。该算法采用K均值聚类方法进行自适应定义阈值，以区分不同结构特征及不同服役环境导致的数据分布与噪声响应的差异性。在此基础上，对扭曲的应变曲线实行连续的几何偏置来消除应变读数异常。最后以航天燃料贮箱压力循环实验中采集的分布式光纤传感数据处理为例验证所提方法的有效性，使用Pearson相关系数来表征后处理曲线与无异常曲线的相关性，并与其他后处理算法进行对比。结果表明，针对2种主要类型、8种典型案例的应变异常现象，所提方法均能获得最佳的后处理结果，与无异常曲线的相关性系数不低于0.917。
光纤光学 瑞利散射 分布式光纤传感 K均值聚类 自适应阈值 复合材料贮箱
1 太原理工大学电子信息与光学工程学院，山西 太原 030024
2 太原理工大学物理学院，山西 太原 030024
3 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西 太原 030024
提出了一种基于多阶时域差分重构相关法的拉曼分布式光纤传感技术。该方案利用混沌信号、放大自发辐射（ASE）信号和噪声信号代替传统脉冲激光作为传感信号，基于多阶时域差分重构方法重构拉曼反斯托克斯散射信号，以此剥离出各个传感光纤位置点携带探测信号时序随机起伏特征的光强信息。最后基于相关压缩解调方法，揭示了拉曼散射温度调制光场空间位置与探测信号的相关特性。从理论上将时域差分重构方法推广至任意阶数，分析了差分阶数对传感系统信噪比的影响，并分析了面向混沌拉曼分布式光纤传感技术的最优差分阶数。研究了混沌信号、噪声信号、ASE信号这三种信号作为探测信号时拉曼传感系统的数值模拟情况，结果证明了拉曼光纤传感领域混沌信号在动态范围与信噪比方面具有显著优势，为长传感距离、高空间分辨率和高信噪比拉曼分布式光纤传感技术提供了新的研究思路。
光纤光学 分布式光纤传感 拉曼散射 空间分辨率 温度解调
