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分布式光纤传感技术研究和应用的现状及未来

光学学报 2024年第1期44卷 3-65页

作者：张旭苹张益昕王亮余贶琭刘波尹国路刘琨李璇李世念丁传奇汤玉泉尚盈王奕首王晨王峰樊昕昱孙琪真谢尚然吴慧娟吴昊王花平赵志勇南京大学智能光感知与调控技术教育部重点实验室江苏南京210023 华中科技大学光学与电子信息学院湖北武汉430074 北京交通大学信息科学研究所北京100044 之江实验室光纤传感研究中心浙江杭州311100 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室重庆400044 天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 中国电力科学研究院有限公司北京100192 中国煤炭地质总局勘查研究总院北京100039 中油奥博(成都)科技有限公司四川成都611731 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 齐鲁工业大学(山东省科学院) 山东省科学院激光研究所山东济南250104 厦门大学航空航天学院福建厦门361005 上海交通大学电子信息与电气工程学院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 北京理工大学光电学院信息光子技术工信部重点实验室北京100081 电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室四川成都611731 兰州大学土木工程与力学学院甘肃兰州730000

我国大型基础设施的建设规模已多年位居世界之首,分布式光纤传感技术(DOFS)作为大型基础设施健康状态实时监测最有潜力的技术,近年来得到了迅速发展。针对DOFS在技术和应用的突破上面临的挑战,在介绍DOFS各技术基本工作原理、发展历史... 详细信息

我国大型基础设施的建设规模已多年位居世界之首,分布式光纤传感技术(DOFS)作为大型基础设施健康状态实时监测最有潜力的技术,近年来得到了迅速发展。针对DOFS在技术和应用的突破上面临的挑战,在介绍DOFS各技术基本工作原理、发展历史、现状以及典型应用原理和方案等的基础上,对其工作新机理、系统设计方案、研究发展方向等进行了阐述和讨论。

关键词：光纤光学分布式光纤传感技术光时域反射仪光频域反射仪干涉型分布式光纤传感

快速、高空间分辨分布式光纤传感技术及其在机械形变和温度监测中的应用

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机械工程学报 2022年第8期58卷 96-104页

作者：尹国路蒋锐徐州周雷牛洋洋吕雷朱涛重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室重庆400044 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044

针对未来智能变体飞行器飞行途中机翼形变监测、微创手术中精准介入手术、连续体机器人自动运动轨迹追踪、涡轮叶片温度监测等对抗电磁干扰、精度高、质量轻的分布式传感技术需求,研制了基于光频域反射仪的快速、高空间分辨率分布式光... 详细信息

针对未来智能变体飞行器飞行途中机翼形变监测、微创手术中精准介入手术、连续体机器人自动运动轨迹追踪、涡轮叶片温度监测等对抗电磁干扰、精度高、质量轻的分布式传感技术需求,研制了基于光频域反射仪的快速、高空间分辨率分布式光纤传感样机。该样机采用辅助干涉仪的外差拍频信号作为外部时钟,辅助干涉仪选用300 m的延迟光纤,抑制了光源非线性扫频效应,利用偏振分集接收装置消除系统中的偏振衰落效应。在40m传感距离内对CPU和GPU运算时间成本进行了对比,采用GPU加速算法将光频域反射仪的传感速度提升了20倍。对涡轮叶片温度进行监测,其传感采样空间分辨率达到0.76 mm,温度测量精度达到0.4℃。采用该样机实现了二维柔性面板机械形变监测,测量误差低于3%。

关键词：分布式光纤传感光频域反射仪机械形变高空间分辨率温度监测 GPU加速

基于光频域反射仪的光纤水听器探头结构形变研究

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光学学报 2023年第5期43卷 235-243页

作者：王宇肖迪牛洋洋杨洁杨鹏希朱兆昊尹国路朱涛重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室重庆400044 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 湖南长城海盾光纤科技有限公司湖南长沙410000

光纤水听器探头在深海静水压力下存在变形,这会影响其对水下声信号的探测性能,甚至会使探头失稳而无法在深海环境中继续作业。传统电学传感器因受限于尺寸和电磁干扰等因素,故难以被用于水听器探头的形变监测中。光纤光栅点式传感器的... 详细信息

光纤水听器探头在深海静水压力下存在变形,这会影响其对水下声信号的探测性能,甚至会使探头失稳而无法在深海环境中继续作业。传统电学传感器因受限于尺寸和电磁干扰等因素,故难以被用于水听器探头的形变监测中。光纤光栅点式传感器的空间分辨率较低,故也无法对尺寸小的光纤水听器探头进行全分布式力学监测。为此,提出了一种基于光频域反射仪的高空间分辨率、高精度的光纤水听器探头形变监测方法。在实验中,光纤紧密缠绕在水听器探头的表面,采用自主研制的分布式光纤形状监测分析仪测量了探头形变产生的光纤瑞利散射光谱的波长漂移,并采用逆向积分的方法实现了探头形状的二维重构。研究结果表明:随着静水压力的增大,水听器探头直径逐渐缩小,并沿周向出现周期性凹陷;当静压力达到6 MPa时,三个周期性凹陷深度达到124μm。该实验研究结果与基于ANASYS的耐压性仿真结果相符。

关键词：传感器分布式光纤传感光频域反射仪光纤水听器形状传感

一种与标准单模光纤高适配的低弯曲损耗光子晶体光纤

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物理学报 2013年第10期62卷 244-249页

作者：盛新志娄淑琴尹国路鹿文亮王鑫北京交通大学理学院北京100044 北京交通大学电子信息工程学院北京100044

设计并研制出一种与普通单模光纤高适配的低弯曲损耗光子晶体光纤.结构采用光纤预制棒制作工艺上易于实现的掺锗芯六孔结构.应用间接测量方法,对其模式、弯曲及色散特性进行了系统的评估.在波长1550nm处研制光纤的模场面积为79.26μm2,... 详细信息

设计并研制出一种与普通单模光纤高适配的低弯曲损耗光子晶体光纤.结构采用光纤预制棒制作工艺上易于实现的掺锗芯六孔结构.应用间接测量方法,对其模式、弯曲及色散特性进行了系统的评估.在波长1550nm处研制光纤的模场面积为79.26μm2,色散为21.7ps·km-1·nm-1,模场面积和色散特性与标准单模光纤具有高的适配性.在光纤弯曲半径为5mm时,在波长1550nm处的弯曲损耗为0.0365dB/圈,小于G.657B的弯曲损耗0.5dB/圈.研究成果为光纤到户用低弯曲损耗光纤的实用化奠定了良好的基础.

关键词：光子晶体光纤低弯曲损耗光纤到户高适配性

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二倍频调制对开环光纤陀螺工作特性的影响

光电子．激光 2010年第11期21卷 1645-1649页

作者：尹国路娄淑琴唐尊伟北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室北京100044

开环光纤陀螺(FOG)常使用压电陶瓷(PZT)实现非互易性相位偏置,但相位调制中的非线性会造成工作点不稳定和Sagnac相位解调误差。本文对PZT二倍频调制和相位延迟导致的寄生调制信号进行了理论分析,进而提出在小角度Sagnac相移输入时利用... 详细信息

开环光纤陀螺(FOG)常使用压电陶瓷(PZT)实现非互易性相位偏置,但相位调制中的非线性会造成工作点不稳定和Sagnac相位解调误差。本文对PZT二倍频调制和相位延迟导致的寄生调制信号进行了理论分析,进而提出在小角度Sagnac相移输入时利用二、四次谐波监控工作点,在Sagnac相移逐渐变大时利用一、三次谐波监控工作点;同时对比了相位延迟角为0°和90°所引起的工作点不稳定,采用较大相位延迟角可将工作点绝对误差降低到10-5水平,相位解调误差降低到10-5rad水平。

关键词：开环光纤陀螺(FOG) 二倍频相位调制工作点相位误差

基于侧漏型光子晶体光纤高灵敏度宽线性范围弯曲传感器的研究

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物理学报 2013年第19期62卷 253-259页

作者：娄淑琴王鑫尹国路韩博琳北京交通大学电子信息工程学院北京100044

基于所研制的侧漏型光子晶体光纤,提出并研制出一种Sagnac干涉仪型高灵敏度宽线性测量范围的弯曲传感器.实验研究结果表明,当侧漏型光子晶体光纤中的线性缺陷与弯曲方向一致时,采用群双折射和波谷波长偏移量测量弯曲曲率均可获得高的弯... 详细信息

基于所研制的侧漏型光子晶体光纤,提出并研制出一种Sagnac干涉仪型高灵敏度宽线性测量范围的弯曲传感器.实验研究结果表明,当侧漏型光子晶体光纤中的线性缺陷与弯曲方向一致时,采用群双折射和波谷波长偏移量测量弯曲曲率均可获得高的弯曲灵敏度,但线性测量范围小,且不能进行小弯曲曲率的测量.当线性缺陷与弯曲方向垂直时,以波谷波长偏移量进行弯曲曲率检测,可获得10.798 nm/m-1高灵敏度的同时且可实现0—5.03 m-1的宽线性测量范围,结合测量矩阵的引入可实现温度和弯曲曲率的同时测量,进而剔除环境温度变化对弯曲曲率检测的干扰,实现了高灵敏度宽线性范围的弯曲传感;而以群双折射进行弯曲曲率检测,虽然检测灵敏度较低,但可实现对环境温度不敏感的弯曲传感.

关键词：弯曲传感器侧漏型光子晶体光纤高灵敏度宽线性范围

光纤布拉格光栅法布里-珀罗干涉式传感器灵敏度

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中国激光 2010年第6期37卷 1490-1495页

作者：尹国路娄淑琴彭万敬陶沛琳任文华谭中伟刘艳北京交通大学全光网络与现代通信网教育部重点实验室北京100044 北京交通大学光波技术研究所北京100044

在光纤布拉格光栅法布里-珀罗干涉式(FBGFPI)传感器的实验研究和工业应用中,其灵敏度一直受到广泛关注。在考虑光源线宽的情况下,推导出了其灵敏度的理论表达式,讨论了光源相干长度、法布里-珀罗(F-P)腔腔长及光栅反射率对灵敏度的影响... 详细信息

在光纤布拉格光栅法布里-珀罗干涉式(FBGFPI)传感器的实验研究和工业应用中,其灵敏度一直受到广泛关注。在考虑光源线宽的情况下,推导出了其灵敏度的理论表达式,讨论了光源相干长度、法布里-珀罗(F-P)腔腔长及光栅反射率对灵敏度的影响,指出腔长与光源相干长度比值越小,灵敏度越高;在腔长与光源相干长度比值一定时,存在一个最佳反射率使灵敏度达到最大。最后通过不同腔长的灵敏度对比实验和不同反射率的灵敏度对比实验,验证了理论仿真结果的正确性。

关键词：传感器光纤布拉格光栅法布里-珀罗干涉仪灵敏度法布里-珀罗腔腔长相干长度

Theoretical Study of the Structural and Thermodynamic Properties of Amorphous SiO_(2) and Amorphous SiO_(2) with an Oxygen Defect Center

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Chinese Physics Letters 2012年第6期29卷 227-230页

作者：苏伟娄淑琴尹国路 School of Electronic and Information Engineering Beijing Jiaotong UniversityBeijing 100044

Structural properties and thermodynamic properties of amorphous SiO_(2)(a-SiO_(2)) and amorphous SiO_(2) with an oxygen defect ceuter (a-SiO_(2)-ODC) are investigated by using interatomic pair *** configurations of SiO_(2) glass are constructed by quenching using the molecular-dynamics method and subsequent relaxation using the first-principles *** numerical result demonstrates that the calculated short-range structural parameters coincide well with the previous experimental and theoretical results *** thermodynamic properties including specific heat,Debye temperature,vibrational entropy,and so on are analyzed by calculating the phonon ***,mechanical properties of both structures are obtained.

关键词： amorphous thermodynamic Oxygen

双光束干涉型光纤传感器灵敏度与精度受光源谱分布特性的影响分析

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红外与激光工程 2011年第3期40卷 501-505页

作者：陶沛琳延凤平尹国路任文华刘艳谭中伟简水生北京交通大学全光网络与现代通信网教育部重点实验室北京100044 北京交通大学光波技术研究所北京100044

基于对双光束干涉型光纤传感器原理的分析,针对洛仑兹、高斯、矩形3种典型光源谱分布,通过对谱分布线宽与光电管接收端功率谱密度之间关系的定量分析,讨论了3种典型光源谱分布特性对传感器灵敏度的影响。假设光场为稳态、遍历随机过程,... 详细信息

基于对双光束干涉型光纤传感器原理的分析,针对洛仑兹、高斯、矩形3种典型光源谱分布,通过对谱分布线宽与光电管接收端功率谱密度之间关系的定量分析,讨论了3种典型光源谱分布特性对传感器灵敏度的影响。假设光场为稳态、遍历随机过程,定量分析了光源谱线宽与接收端相位改变量之间的关系,对比了3种光源谱特性对于传感器精度的影响。结果表明:当时延小于阈值时,采用洛仑兹光源谱的传感器灵敏度最大;当时延大于阈值时,采用矩形光源谱的传感器灵敏度随时延呈周期振荡变化。同时,3种光源谱分布下,洛仑兹光源谱分布线宽对传感器精度的影响最大,矩形光源谱分布线宽对传感器精度的影响最小。

关键词：光源谱分布光纤传感器灵敏度精度