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。

为了减小拉曼散射光波长相关损耗、光电探测器附加噪声及散射光中的瑞利噪声对分布式光纤温度传感器测温误差的影响，通过分析分布式光纤温度传感系统的解调原理提出了一种反斯托克斯光降噪方法。将光纤按照环形结构铺设，以每次测量的反斯托克斯光信号中菲涅耳反射峰后的基底噪声平均值作为动态本底噪声，利用两段处于不同温度的光纤消除动态本底噪声后的瑞利噪声。反斯托克斯光降噪解调法从原理上避免了参考斯托克斯光引入的测温误差，消除了本底噪声和瑞利噪声导致的测温误差。实验结果表明，修正的分布式光纤温度传感系统的最大测温误差从5.4 ℃降低到0.6 ℃，测温准确度有明显提高。

提出一种新型智能化长距离光纤预警系统,研究了该系统在真实工作环境下的预测准确性。该预警系统主要分为分布式传感和信号识别两个部分,其中相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)技术用于系统的分布式传感部分,而神经网络技术用于信号识别部分,以对入侵事件进行识别和分类。在信号识别部分创新地提出了一种改进型神经网络结构,并使用基于小波包分解的神经网络和具有三个隐藏层的神经网络等其他两种方法进行效果对比。最后,通过三次不同的实验,探究了系统的识别准确性。结果表明,基于改进型神经网络的光纤预警系统在入侵事件识别方面具有优良的分类效果,平均识别率达到95%以上。

A novel multi-channel distributed optical fiber intrusion monitoring system with smart fiber link backup and on-line fault diagnosis functions was proposed. A 1×N optical switch was intelligently controlled by a peripheral interface controller (PIC) to expand the fiber link from one channel to several ones to lower the cost of the long or ultra-long distance intrusion monitoring system and also to strengthen the intelligent monitoring link backup function. At the same time, a sliding window auto-correlation method was presented to identify and locate the broken or fault point of the cable. The experimental results showed that the proposed multi-channel system performed well especially whenever any a broken cable was detected. It could locate the broken or fault point by itself accurately and switch to its backup sensing link immediately to ensure the security system to operate stably without a minute idling. And it was successfully applied in a field test for security monitoring of the 220-km-length national borderline in China.

为了降低布里渊后向散射光不稳定的偏振态以及系统噪声对分布式光纤温度应变传感系统测量精度的影响, 进一步提高测量温度、应变的精度和系统信噪比, 提出在该系统中加入扰偏器, 以减小系统误差; 同时应用小波去噪的方式降低信号的噪声。选用体积和插入损耗都较小的PolaRITETMⅢ PSM-001扰偏器。小波去噪过程选用 db5 小波, 经过离散小波变换函数wavedec对信号进行小波分解, 选用thselect 函数实现阈值获取, 选用waverec函数实现信号小波重构。实验证明扰偏器能使系统误差降低到原来的 1/3, 小波去噪使系统信噪比从原来的26.6dB 提高到 38.5dB。

设计了一种远程多点光纤传感系统用于大范围对象测量,其结构为一个本地控制节点通过双向光纤链路串联所有远端传感节点。在本地控制节点共享光源、光电检测器等光电器件,并结合虚拟仪器实现数据处理电路;而远端传感节点仅包含敏感元件、无源光器件构成的光路,并能直接实现时分复用。以3节点系统的甲烷气体检测为例进行实验和计算,结果证明该方案能够有效工作,通过循环检测可使首个传感节点的相对误差降至0.2%以下。

研究基于Φ-光时域反射计(Φ-OTDR)技术的分布式光纤传感方法,分析了基于相干光时域反射计的分布式光纤振动传感机理。在此基础上系统采用一段40 km多芯通信光缆中的一芯光纤作为传感光纤进行通信光缆险情定位与预警试验。试验结果表明,该系统可对40 km通信光缆不同位置的入侵事件自动识别预警,显示险情位置,定位精度优于50 m。

针对光纤法布里-珀罗(F-P)传感器在实际应用中易偏离工作点,造成输出信号衰减,信噪比降低问题,提出了双波长稳定技术,建立了双波长稳定系统的数学优化模型。采用全局搜索能力强,收敛速度快,鲁棒性好,能有效解决复杂优化问题的微分进化算法(DE)进行了全局结构优化。结果表明,DE算法能在较短的运行时间内得到全局最优解,误差＜10-3,优化目标下降了89.46%,且运行时间有所减少;证明该算法正确可行,高效可靠,为光纤F-P传感器的结构优化设计提供了实验基础。

为了消除光源强度波动对测量结果的影响,根据溶液浓度与其折射率的关系和光纤法布里-珀罗(F-P)干涉仪透射光谱中心波长与干涉仪腔内介质折射率之间的关系,利用其透射光谱的中心波长进行透明溶液浓度的精确测量,开发出测量实验系统。采用可调光学滤波器对传感信号进行采集。对浓度为5%～80%的酒精进行了实际测量实验,浓度最大测量偏差为0.003%。该系统具有如下特点