清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084
调频连续波（FMCW）激光雷达具有非接触式测量、抗环境光干扰、高分辨率、能够同时获取速度和距离信息等优势，近年来被广泛应用于航空航天、精密制造、无人驾驶等领域。FMCW激光雷达的测距能力很大程度依赖于其光源的扫频线性度。在实际应用中，扫频光源会受到诸如应力拉伸不均匀、腔内温度变化、电路噪声等因素的影响，导致扫频非线性的产生，使得测距分辨率和精度下降。针对这一问题，本文从原理出发，分析了FMCW激光雷达中光源扫频非线性的影响，系统介绍了不同类型扫频非线性校正技术的原理和国内外研究进展，并对这些方法的适用场景、特性和优缺点进行总结，为后续相关研究提供启发。
调频连续波 激光雷达 绝对测距 扫频光源 非线性校正 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0328001
1 深圳大学射频异质异构集成全国重点实验室，广东省光纤传感技术粤港联合研究中心，深圳市物联网光子器件与传感系统重点实验室，广东 深圳 518060
2 深圳大学物理与光电工程学院光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室，深圳市超快激光微纳制造重点实验室，广东 深圳 518060
3 人工智能与数字经济广东省实验室（深圳），广东 深圳 518107
光频域反射仪（OFDR）具有高空间分辨率、高精度和高灵敏度等多种分布式传感能力，其在油气资源勘探、结构健康监测，以及医疗微创介入手术等多种场合展示出了巨大的应用潜力。然而，扫频非线性噪声、相干衰落噪声，以及光纤中微弱的瑞利后向散射信号是影响光频域反射仪性能的主要因素。本文介绍了光频域反射仪基本原理和波长、相位两种传感解调方法，详细阐述了多种抑制扫频非线性噪声和相干衰落噪声的方法，同时介绍了光频域反射仪在三维形状、大应变、高温、折射率等4个方面的传感应用进展。
光频域反射仪 扫频非线性 相干衰落 三维形状 大应变 高温 激光与光电子学进展
2024, 61(1): 0106002
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072
在页岩气的开采过程中，需要对压裂作业中产生的微震波进行检测。在传统的基于后向瑞利散射的分布式光纤传感技术的基础上，提出了一种应用于微震波检测的线性扫频脉冲调制方法。将调制系统中的矩形脉冲改为线性扫频脉冲，通过压缩脉冲匹配滤波的方式实现长距离、高空间分辨率传感。经过仿真与实验验证，选用线宽约为10 kHz的窄线宽激光器为光源，经电光调制与声光调制，可实现扫频范围为5.6~5.8 GHz、扫频时间为2 μs、传感距离为10 km的线性扫频信号调制，接收到的后向瑞利散射信号强度范围为-60~-50 dBm。
分布式声波传感 线性扫频 微震信号调制 微震检测技术 激光与光电子学进展
2023, 60(23): 2306006
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学大珩学院，北京 100049
3 吉光半导体科技有限公司，吉林 长春 130102
4 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
光学相干层析成像（OCT）是一种广泛应用于眼科疾病诊断及其他测量和探测等领域的新型成像技术。其中，扫频方案（SS-OCT）作为OCT的一种主要技术路径，因具有成像速度快、深度深、分辨精度高等优势，成为了近年来OCT领域的研究重点。由于SS-OCT的性能主要由快速扫频光源的性能决定，所以对扫频光源的研究和开发至关重要。主要总结扫频光源的研究进展，从技术手段、设计思路、性能指标等方面出发，对扫频光源的研究进展和领域前沿的研究现状进行较为详细的介绍和总结。
半导体激光器 光学相干层析成像 扫频光源 激光与光电子学进展
2023, 60(16): 1600003
1 上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海 200240
2 鹏城实验室，广东 深圳 518055
高精度温度传感器在地球物理、海洋科学、石油化工等领域具有广泛应用。针对传统光纤光栅温度传感器分辨率较低的问题，提出一种基于光纤光栅的高精度多点复用温度传感系统，该系统采用封装好的不同中心波长的相移光纤光栅作为温度敏感单元，以扫频激光器和波分复用技术检测各光纤光栅谐振波长，并引入氰化氢标准气体吸收室作为波长参考，用非平衡马赫-曾德尔干涉仪补偿光源扫频过程中的非线性，以提升波长测量精度。实验实现了对10个温度传感探头的同时探测，温度分辨率达到10-4 ℃水平，测量范围达到0~100 ℃。该光纤光栅温度传感系统在高精度温度测量领域具有广阔的应用前景。
光纤光学 高精度温度传感 扫频激光 相移光纤光栅 光纤光栅封装 光纤光栅阵列
1 河北大学物理科学与技术学院 光信息技术创新中心， 河北 保定 071002
2 河北省光学感知技术创新中心， 河北 保定 071002
3 北京交通大学 电子信息工程学院， 北京 100044
提出并验证了一种基于高非线性光纤（HNLF）的布里渊双波长窄线宽光纤激光器，并对其扫频微波信号生成进行了研究。窄线宽光纤激光种子源经高功率掺铒光纤放大器进行功率放大，并使用光纤光栅滤除自发辐射噪声后，作为受激布里渊散射（SBS）的泵浦光；为降低SBS阈值，使用长3.0 m的HNLF作为布里渊增益介质，布里渊激光谐振腔的腔长为6.6 m，对应的纵模间隔约为31 MHz，可以保证在布里渊增益谱范围内实现激光单纵模运行；在HNLF入纤泵浦光功率为1.8 W时，测得布里渊激光的线宽为622.50 Hz，且结合残余泵浦光得到了双波长激光输出，光信噪比>77 dB；对双波长激光进行拍频，在9.4 GHz附近得到微波信号，且利用定制步进电机光纤拉伸机构对HNLF引入应变调制，实现了速率为10 Hz、范围为289.7 MHz的扫频微波信号输出。提出的激光器系统实现方法简单，在光/无线通信、光纤传感、微波光子学等领域具有潜在应用价值。
受激布里渊散射 双波长光纤激光器 扫频微波信号 stimulated Brillouin scattering dual-wavelength fiber laser frequency-swept microwave signal 红外与激光工程
2022, 51(5): 20210406
1 上海大学精密机械工程系, 上海 200444
2 近地面探测技术重点实验室, 江苏 无锡 214035
采用高精度纳米位移台作为被测振动体目标,研究基于超小自聚焦(GRIN)光纤探头的扫频光学相干层析成像(SS-OCT)测振技术。解析基于超小GRIN光纤探头的集成化SS-OCT工作性能,理论上该系统可测振动的最大峰峰值达12.5 mm,最大频率达25 kHz。搭建相应的测振实验系统,并进行微小振动的测试及分析。结果显示,设置纳米位移台振动峰峰值范围1 nm~5 μm、频率范围1~200 Hz,该集成化SS-OCT测振系统可测出频率1 Hz、峰峰值6 nm及以上的微小振动。对振幅为25 nm、频率为10Hz的单频正弦振动信号,系统的重复性实验标准偏差为0.003。结果表明,基于超小GRIN光纤探头的集成化SS-OCT系统具有测量微小振动的可行性,为进一步研究其在微小振动和位移等精确测量领域的应用提供了实验基础。
成像系统 扫频光学相干层析成像技术 超小自聚焦光纤探头 微小振动测量 低相干干涉 光学学报
2021, 41(15): 1511002
1 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
2 煤与煤层气共采国家重点实验室, 山西 晋城 048012
针对传统内调制光频域反射(OFDR)分布式传感系统中扫频激光存在的频率变化非线性问题及其造成的信噪比降低问题, 提出了基于光IQ调制的光频域反射系统, 分析了光IQ调制扫频基本原理和光频域反射传感系统基本原理, 搭建了基于光IQ调制器的扫频激光生成系统和OFDR温度变化定位实验系统, 通过光IQ调制器对稳频激光进行调制以生成线性扫频激光, 并将线性扫频激光导入OFDR系统实现对待测光纤上温度变化的定位检测。实验结果证明, 基于光IQ调制器的OFDR系统可以准确定位待测光纤上的温度变化位置, 在1000m光纤上定位误差为0.0606m。研究表明, 基于光IQ调制的光频域反射系统可以实现中长距离的高精度温度变化定位传感。
光频域反射 IQ调制器 温度检测 光纤传感 线性扫频 optical frequency domain reflection IQ modulator temperature detection optical fiber sensing linear sweep
