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建设分公司 项目管理中心,南京 210000
气体绝缘开关设备（GIS）在国家电网变电站建设领域应用广泛,通常在GIS设备投产之前需要做绝缘耐压试验,以对现场故障设备进行定位。为了进行更快速有效的定位,针对实际应用环境,利用分布式声传感系统（DAS）和相位敏感光时域反射仪,通过光纤自身的反向瑞利散射信号,进行多波长多路径调制解调,由光纤实时监测GIS管道的不同位置的振动信号,减少测试盲点。结果表明,所研制的DAS系统能够实现对GIS故障设备进行实时快速准确的定位,定位精度可达到3 m内。该研究对于GIS现场故障的及时排除和维修处理,保障电力设备安全运行具有较好的参考价值。
传感器技术 光纤分布式声传感系统 气体绝缘开关设备 耐压测试 sensor technique optical fiber distributed acoustic sensing system gas insulated switchgear withstand voltage test
为了更准确地分析空域无源光纤腔衰荡乙炔体积分数检测系统, 建立了考虑系统噪声的气体体积分数传感理论模型。采用该模型对空域无源光纤腔衰荡乙炔体积分数检测系统的性能进行了仿真和讨论。结果表明, 利用空域无源光纤腔衰荡传感技术, 通过测量衰荡距离, 可实现灵敏度高达56.226 km-1的乙炔体积分数的测量, 稳定性达0.47%, 检测极限达260.577×10-6, 且稳定性和检测极限还可通过减少光纤腔的固有腔损耗得到进一步的提高。此研究对于体积分数传感系统的优化设计应用具有理论指导意义。
传感器技术 体积分数 空域无源光纤腔衰荡传感系统 频移干涉 灵敏度 sensor technique volume fraction space-domain passive fiber cavity ring-down sensin frequency-shifted interferometry sensitivity
白天硕 1,2,3王莞竹 1,2,3张龙飞 1,2,4张璇如 1,2,3,4,*崔铁军 1,2,3,4,*
1 东南大学 毫米波国家重点实验室，南京 210096
2 东南大学 电磁空间科学与技术研究院，南京 210096
3 东南大学 信息科学与工程学院，南京 210096
4 东南大学 微电子学院，南京 210096
人工局域表面等离激元是一种基于表面等离激元超材料的电磁谐振模式，在微波、毫米波和太赫兹频段可实现深亚波长场束缚、高品质因子、高介电灵敏度等优异传感特性，并且与平面印刷电路工艺兼容，易于和信号检测电路、无线通信电路集成，因此在小型化便携式的物联传感领域展现出广阔的应用前景。本文重点介绍人工局域表面等离激元传感的新原理、相关技术及典型应用。在传感新原理方面，讨论了新型人工局域表面等离激元的谐振结构、电磁模式、以及涡旋波传感原理；在传感指标提升技术方面，探讨了模式间耦合和有源放大两种传感增强方法；在应用探索方面，回顾了人工局域表面等离激元在溶液浓度传感、细胞传感和力学量传感等方向的代表性工作，介绍了小型化人工局域表面等离激元传感系统的最新进展。最后，对人工局域表面等离激元传感的发展趋势进行了讨论和展望。
电磁谐振 人工局域表面等离激元 传感增强 传感灵敏度 传感系统 Electromagnetic resonances Spoof localized surface plasmons Sensing enhancements Sensing sensitivity Sensing systems 光子学报
2023, 52(10): 1052401
1 合肥师范学院物理与材料工程学院，安徽 合肥 230601
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所光子器件与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031
3 合肥师范学院电子信息系统仿真设计安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601
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。
光纤光学 分布式光纤传感系统 拉曼散射 环形结构 噪声抑制 测温误差 激光与光电子学进展
2022, 59(19): 1906003
1 吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区，长春 130012
2 吉林省红外气体传感技术工程研究中心，长春 130012
基于非分散红外吸收光谱技术，利用CO气体分子在4.6 μm处的基频吸收带，采用宽带红外热光源和双通道热释电探测器，研制了一种用于早期火灾探测的红外CO传感系统。根据系统检测原理，对CO分子在红外波段的吸收谱线进行了选择；推导了光学矩阵理论，设计并优化了气室结构，优化后气室的吸收光程达到180 cm。对研制的锁相放大器进行标定，1σ检测下限为0.15 μV，背景噪声为38.89~43.23 μV。对传感系统的性能进行了实验测试。结果显示，CO的检测分辨率优于2.00×10-5，响应时间为35~38 s。对纯氮气（N2）样品进行了长达80 min的监测，其浓度波动范围为-1.42×10-5~1.51×10-5，当积分时间为0.25 s时，系统的检测下限为1.54×10-6；当积分时间为300 s时，系统的理论检测下限可达3.50×10-7。引入卡尔曼滤波算法来提高系统的稳定性，对纯氮气进行长达80 min的探测，引入该算法后系统的检测下限降低到原来的23%，同时，当积分时间为0.25 s时，检测下限降低到3.60×10-7。利用该传感系统，开展了棉花、纸张和木材的火灾阴燃实验，研究了CO浓度随阴燃时间的变化关系，验证了可通过CO浓度的变化来探测火灾发生的方法，证实了该传感系统呈现出良好的早期火灾探测能力。
传感系统 红外吸收光谱 矩阵光学 气体检测 火灾探测 Sensor system Infrared absorption spectrum Matrix optics Gas detection Fire detection
双向掺铒光纤放大器(Bi-EDFA)是空域有源光纤腔衰荡传感系统的关键器件, 其增益特性和噪声特性直接影响传感系统的稳定性。设计了适用于空域有源光纤腔衰荡传感系统的低增益、低噪声的增益钳制Bi-EDFA, 并应用Optisystem仿真软件对其进行优化。仿真结果表明: 通过优化设计, 可获得增益系数、噪声系数分别为15.35 dB、3.52 dB, 且能保持增益钳制的Bi-EDFA。
空域有源光纤腔衰荡传感系统 双向掺铒光纤放大器 增益钳制 低增益 低噪声 space domain active fiber cavity ring-down sensing bidirectional erbium-doped fiber amplifier gain clamped low-gain low-noise
北京理工大学光电学院信息光子技术工业和信息化部重点实验室, 北京 100081
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。
光纤光学 分布式光纤传感系统 信号识别 神经网络 深度学习
1 北京理工大学 光电学院，北京 100081
2 Center for Research and Education in Optics and Lasers,The College of Optics and Photonics, University of Central Florida, Orlando, 32816
由于长距离石油天然气管道分布范围广、背景环境复杂，光纤预警系统在实际环境中对威胁管道安全的破坏性事件的识别具有较高的虚警率，难以达到保护管道安全的预警效果。本文将深度学习应用于长距离的光纤预警系统中，识别出主要影响预警效果的过车信号以降低系统的虚警率。智能光纤预警系统主要分为两个部分：分布式光纤传感系统和信号识别系统。本文在实际环境中从?-OTDR（phase-sensitive optical time domain reflectometry）分布式光纤传感系统采集管道周围的入侵信号，通过CLDNN（convolutional, long short-term memory, fully connected deep neural networks）神经网络建立识别模型实现过车信号的识别。经过训练和盲测，所构建的过车事件的识别模型在实际长距离光纤监测环境下有良好的识别和定位效果，有效地降低了预警系统的误报率。
深度学习 神经网络 分布式光纤传感系统 智能光纤预警系统 管道安全 信号识别 deep learning, neural network, distributed optical
1 吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 长春 130012
2 电子科技大学中山学院 电子信息学院, 广东 中山 528402
3 珠海任驰光电科技有限公司, 广东 珠海 519000
为了实现海洋水位实时监测以进行有效的海啸预警, 提出了一种全光纤干涉式水位传感系统.针对海洋水位变化范围大、变化速度快的特点, 采用基于双准直器对准的改进式干涉结构和线性调频相位解调方法, 以实现对海洋水位值的大量程、高精度、快响应测量.实验结果表明该水位传感系统的可测量程为0~109.14 m, 测量精度达±1 cm, 可实现0.01 s的响应时间, 具有较好的实时性.该系统对海洋水位监测、海啸预警具有十分积极的意义.
光纤传感 海洋水位监测 水位传感系统 双准直器结构 线性调频相位解调 Fiber optic sensing Ocean water level monitoring Water level sensing system Double collimators structure Linear frequencychirp based phase demodulation
