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基于光脉冲编码的相位敏感光时域反射仪研究进展

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光学学报 2024年第1期44卷 240-254页

作者：刘纯野万安池梁永鑫蒋家林吴悦张滨邓子文饶云江王子南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 之江实验室光纤传感研究中心浙江杭州311121

光脉冲编码(OPC)近年来在光纤声波传感领域备受关注,特别是将其与相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)相结合的技术。通过对注入光纤中的探测脉冲进行编码,可在不增加脉冲峰值功率的情况下大幅提高传感信号的信噪比,同时避免了非线性效应的影... 详细信息

光脉冲编码(OPC)近年来在光纤声波传感领域备受关注,特别是将其与相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)相结合的技术。通过对注入光纤中的探测脉冲进行编码,可在不增加脉冲峰值功率的情况下大幅提高传感信号的信噪比,同时避免了非线性效应的影响;在接收端解码后可获得单脉冲响应,系统空间分辨率由单个脉冲而不是整个探测脉冲序列的长度决定,从而在获得高信噪比传感信号的同时保持了空间分辨率。本文首先回顾了OPC在光纤声波传感领域中的发展历程;然后,重点介绍了本课题组基于OPC的分布式和准分布式声波传感研究进展,特别是在传感带宽提升方面的成效;最后,对基于OPC的光纤声波传感技术未来发展方向进行了探讨。

关键词：光纤传感光脉冲编码分布式声波传感相位敏感光时域反射仪

拉曼分布式光纤温度传感:技术发展与应用综述

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光学学报 2024年第1期44卷 214-239页

作者：介瑞敏肖春刘旭朱琛饶云江刘波之江实验室光纤传感研究中心浙江杭州311100 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 浙江大学光电科学与工程学院浙江杭州311100

拉曼分布式光纤温度传感(RDTS)系统因其长期稳定性成为最早商业化的光纤传感产品之一,尤其在油气勘探传感的巨大市场中占据半壁江山。数十年来其技术发展日新月异,本文简述了RDTS的基本原理,着重分析了近年来领域内优化和提升RDTS的方法... 详细信息

拉曼分布式光纤温度传感(RDTS)系统因其长期稳定性成为最早商业化的光纤传感产品之一,尤其在油气勘探传感的巨大市场中占据半壁江山。数十年来其技术发展日新月异,本文简述了RDTS的基本原理,着重分析了近年来领域内优化和提升RDTS的方法,分别从系统结构、部件优化、解调方式和智能信号处理等方面系统性地总结了最新研究进展,并通过走访调研了RDTS的全球市场概况及其在各工程领域的典型应用,旨在为分布式温度传感技术的同仁提供有益的参考。

关键词：光纤传感拉曼分布式温度传感空间分辨率信噪比市场调研

基于数字孪生的矿山散料堆场堆取料机智能监测系统

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金属矿山 2024年第1期 132-138页

作者：刘燕燕赵峰付博宣杨晓明齐跃峰燕山大学信息科学与工程学院河北秦皇岛066000 河北省特种光纤和光纤传感器重点实验室河北秦皇岛066000

在许多涉及散料装卸作业的大型储料场中,斗轮堆取料机被视为当前最为理想的大型可连续作业机械,为了延长其使用寿命,降低维修成本并解决人工巡检不便的问题,提出了一种基于五维数字孪生的智能健康监测系统。通过机身外部布设光纤光栅传... 详细信息

在许多涉及散料装卸作业的大型储料场中,斗轮堆取料机被视为当前最为理想的大型可连续作业机械,为了延长其使用寿命,降低维修成本并解决人工巡检不便的问题,提出了一种基于五维数字孪生的智能健康监测系统。通过机身外部布设光纤光栅传感器以及内置电机实时运转数据获取堆取料机的当前工作状态,并将数据传入内部信息交互通信网络进行数据的分离存储与融合处理,在消除双光栅由于机械疲劳所带来的温度补偿误差后,构建了多数据融合的、立体化的堆取料机数字健康模型,实现了堆取料机健康状态的智能化预测与立体化监测。通过在秦皇岛港散料矿物储料场的QL6000.55型斗轮堆取料机进行全系统的安装运行,极大促进了料场数字化进程,改变了管理模式,提高了生产效率,直接增加了经济效益。研究表明:该系统能够可靠地提供斗轮取料机的实时工作状态,对基本的故障类型有着一定的预警效果,降低了堆取料机维护的人力与物力投入,为矿区大型机械健康监测提供了有益参考。

关键词：数字孪生堆取料机矿山散料堆场智能制造故障监测

大孔柚子型微结构光纤探针的表面增强拉曼散射性能研究

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光谱学与光谱分析 2024年第2期44卷 527-533页

作者：李佳轩付子珍曹茜清胡志国付兴虎付广伟金娃毕卫红燕山大学信息科学与工程学院河北省特种光纤与光纤传感重点实验室河北秦皇岛066004

随着光纤制备工艺以及纳米材料制备技术的发展,光纤探针已成为一种新型的表面增强拉曼散射(SERS)基底,通过在普通单模光纤或多模光纤上制备不同的结构并修饰相应的纳米材料,可以得到多种类型的光纤表面增强拉曼散射探针,并实现较好的检... 详细信息

随着光纤制备工艺以及纳米材料制备技术的发展,光纤探针已成为一种新型的表面增强拉曼散射(SERS)基底,通过在普通单模光纤或多模光纤上制备不同的结构并修饰相应的纳米材料,可以得到多种类型的光纤表面增强拉曼散射探针,并实现较好的检测效果。但受限于光纤本身的结构,普通光纤仅能利用端面或侧表面提供拉曼检测的“热点”区域,限制了其SERS性能的进一步提高。因此制备了大孔柚子型微结构光纤(MSF)表面增强拉曼散射(SERS)探针,其中大孔柚子型MSF SERS探针结构通过一段阶跃多模光纤与柚子型微结构光纤熔接制得。实验分别对自制的纳米银溶胶基底以及大孔柚子型MSF SERS探针的SERS性能进行检测。采用溶胶自组装法制备负载银纳米颗粒的MSF SERS探针,通过控制自组装时间制备不同光纤SERS探针(Ag/MSF-x,其中x为自组装时间,分别为15、30、45、60 min)。采用溶液检测方法,利用Ag/MSF-x探针对10^(-3) mol·L^(-1)的亚甲基蓝(MB)探针分子进行检测,通过比较相同条件下的增强效果筛选得到Ag/MSF-45探针。为进一步检测Ag/MSF-45探针的SERS性能,制备不同浓度的MB溶液,分别利用纳米银溶胶基底和Ag/MSF-45探针对其进行检测。实验结果表明,纳米银溶胶基底对MB的检测限(LOD)为10^(-6) mol·L^(-1),Ag/MSF-45探针对MB的检测限(LOD)为10^(-7) mol·L^(-1);拉曼信号的再现性结果表明纳米银溶胶基底以及Ag/MSF-45探针在各个特征峰处的RSD值均在合理范围内;在1619 cm^(-1)拉曼位移处对纳米银溶胶基底以及Ag/MSF-45探针检测MB的拉曼强度和浓度进行对数转换拟合,纳米银溶胶基底的拟合优度R2达0.91628,Ag/MSF-45探针的拟合优度R2达0.98848;纳米银溶胶基底和Ag/MSF-45探针的再现性结果表明,其在各个特征峰处的RSD值均处于合理范围,但Ag/MSF-45探针的各特征峰RSD值均小于纳米银溶胶基底,最大为13.89%;利用10^(-6) mol·L^(-1)的MB对Ag/MSF-45探针的增强因子(AEF)进行计算,Ag/MSF-45探针的AEF达到6.09×10^(6),表现出良好的增强效果。因此,基于大孔柚子型MSF SERS探针凭借独特的空气孔结构使其具有较高的灵敏度以及良好的再现性,且其SERS性能均优于纳米银溶胶基底,在农业、化学分析、生物检测等领域及大分子物质检测等方面应用前景广泛。

关键词：表面增强拉曼散射柚子型微结构光纤光纤探针纳米银溶胶亚甲基蓝

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光学斯格明子的产生与调控(特邀)

光学学报 2024年第10期44卷 77-91页

作者：周志凯王思聪李向平暨南大学光子技术研究院广东省光纤传感与通讯重点实验室广东广州511443

传统斯格明子是一种在核物理和磁性材料中均已被证明具有拓扑稳定性的准粒子,可应用于逻辑器件、晶体管、量子计算等领域。近年来,光学斯格明子被人们所提出,并引起了拓扑光学与光场调控领域研究者们的广泛兴趣。综述了当前光学斯格明... 详细信息

传统斯格明子是一种在核物理和磁性材料中均已被证明具有拓扑稳定性的准粒子,可应用于逻辑器件、晶体管、量子计算等领域。近年来,光学斯格明子被人们所提出,并引起了拓扑光学与光场调控领域研究者们的广泛兴趣。综述了当前光学斯格明子的研究进展,详细介绍了光学斯格明子的拓扑结构分类、不同矢量构型光学斯格明子的产生与调控,并对其潜在应用进行了展望,为本领域进一步快速发展提供了参考。

关键词：物理光学斯格明子拓扑光学结构光场调控

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分布式光纤传感器的编码技术研究

光学学报 2024年第1期44卷 255-270页

作者：林全聪程凌浩吕杰张天放梁浩关柏鸥暨南大学光子技术研究院广东省光纤传感与通信技术重点实验室广东广州510632

基于光纤中的瑞利、布里渊、拉曼等散射效应以及弱反射阵列的分布式光纤传感(DOFS)能够对光纤损耗、温度、应变、振动、声音等多种参量实现长距离、高空间分辨率的实时监测,受到了越来越多的关注,具有非常广阔的应用。在DOFS中使用编码... 详细信息

基于光纤中的瑞利、布里渊、拉曼等散射效应以及弱反射阵列的分布式光纤传感(DOFS)能够对光纤损耗、温度、应变、振动、声音等多种参量实现长距离、高空间分辨率的实时监测,受到了越来越多的关注,具有非常广阔的应用。在DOFS中使用编码脉冲序列增加DOFS的信号能量,是提高传感性能的一个重要技术途径。因此,编码技术的应用一直是DOFS研究的一个重要领域。综述了DOFS中编码技术的研究进展,阐述了编码技术提高传感性能的技术原理,归纳了不同编码方案的设计和实现方法,分析了不同类型DOFS的技术特征及其相应的编码技术应用方法。最后,对DOFS中的编码技术的发展进行了展望。

关键词：传感器分布式光纤传感器编码技术光纤瑞利传感器光纤布里渊传感器光纤拉曼传感器光纤弱光栅阵列传感器

基于棱柱式空间阵列结构的四维加速度传感器研究

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光电子·激光 2024年

作者：童晓玲张佳慧梁磊戴澍江轲王慧武汉理工大学光纤传感技术与网络国家工程研究中心

全面监测井下随钻过程的振动信息是钻井工程领域的重要研究课题。组合式加速度空间阵列传感器由于本身结构特性及解耦原理可以测量钻杆实际旋转中心处的振动信息，但测量精度较低、解耦算法的普适性较差、且无法定位旋转中心，难以满足... 详细信息

全面监测井下随钻过程的振动信息是钻井工程领域的重要研究课题。组合式加速度空间阵列传感器由于本身结构特性及解耦原理可以测量钻杆实际旋转中心处的振动信息，但测量精度较低、解耦算法的普适性较差、且无法定位旋转中心，难以满足井下随钻过程的振动测量需求。本文设计了一种n棱柱式3n(n≥3)轴加速度传感器阵列模型，将传感器个数n引入解耦算法，可根据钻杆内外径的不同尺寸改变n的取值，借助Matlab推导旋转中心定位算法，并利用Ansys仿真软件模拟了在给定振动条件下钻杆横截面上的加速度分布，以分析该四维加速度传感器的测量误差和旋转中心的定位误差。结果表明设计的四维加速度传感器阵列模型线加速度平均测量误差为0.17%，角加速度测量误差为0.01%，定位误差为0.73%，为油气领域随钻测量与传感器阵列设计提供了借鉴。

关键词：随钻振动测量空间阵列传感器解耦算法定位算法误差分析

外界干扰下车对车2×2 MIMO-VLC系统研究

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电子学报 2024年第4期52卷 1269-1281页

作者：尹荣荣沈兴悦桑军秦豪翟萌发贾宽宽燕山大学信息科学与工程学院河北秦皇岛066004 河北省特种光纤与光纤传感重点实验室河北秦皇岛066004

为了研究干扰车辆和穿越道路行人对车对车可见光通信系统的影响,本文提出了带有外界干扰的车对车2×2 MIMO可见光通信模型.该模型以基于市场加权灯束模型的汽车前照灯作为2个发射器,以光电探测器作为2个接收器,考虑了间隔车道车辆和过... 详细信息

为了研究干扰车辆和穿越道路行人对车对车可见光通信系统的影响,本文提出了带有外界干扰的车对车2×2 MIMO可见光通信模型.该模型以基于市场加权灯束模型的汽车前照灯作为2个发射器,以光电探测器作为2个接收器,考虑了间隔车道车辆和过道行人对系统性能的影响.研究结果表明:当误码率小于为10^(−4)时,同道、邻道和间隔车道车辆的纵向通信距离分别为:28 m、5~18 m、0 m;间隔车道的两车不能直接通信,但其前照灯发射光线会进入信号接收车辆从而对正常通信两车产生影响;行人穿越道路会使正常通信两车的误码率产生较大波动且存在积极影响,正常通信两车横向距离越大积极影响占比越高;本文提出的模型考虑了行人和车辆的干扰,为改善可见光通信在复杂交通网的应用效果提供了理论依据.

关键词：外界干扰车对车可见光通信误码率

基于光电容积脉搏波描记法的柔性血压传感器标定方法研究

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电子学报 2024年第8期52卷 2648-2658页

作者：时未董林玺翁斌辉程家根杨伟煌刘超然杭州电子科技大学电子信息学院浙江杭州310018 智能微传感器与微系统教育部工程研究中心浙江杭州310018

基于光电容积脉搏波描记法(Photo Plethysmo Graphy,PPG)的柔性传感器可进行心率(Heart Rate,HR)和血压(Blood Pressure,BP)检测,但是对其检测结果的标定报道甚少.据此,本文提出一种基于模拟血液循环的反射式PPG心率检测和血压标定系统... 详细信息

基于光电容积脉搏波描记法(Photo Plethysmo Graphy,PPG)的柔性传感器可进行心率(Heart Rate,HR)和血压(Blood Pressure,BP)检测,但是对其检测结果的标定报道甚少.据此,本文提出一种基于模拟血液循环的反射式PPG心率检测和血压标定系统.以蠕动泵来产生脉动流,通过调节其转速的大小来控制模拟血液输送的频率和压力,从而引起弹性乳胶管内模拟血液体积的变化,而改变反射光的信号周期与强度,贴近于人体脉搏测量过程的实际场景.该系统心率检测误差均值为0.27778,95%一致性界限为(-2.59562,3.15117),所测收缩压(Systolic Blood Pressure,SBP)和舒张压(Diastolic Blood Pressure,DBP)的拟合优度分别为0.97185和0.98111.经标定后的柔性PPG传感器对4名志愿者检测的SBP和DBP的平均偏差(Mean Deviation,MD)±标准差(Standard Deviation,SD)均值分别为(1.21±2.16)mmHg和(0.76±2.02)mmHg,均符合且远小于美国医疗仪器促进协会(Association for the Advancement of Medical Instrumentation,AAMI)所制定的衡量血压计精度的标准指标(5±8)mmHg.结果表明,该系统能够准确高效地标定柔性PPG传感器,为实现便携式可穿戴设备的精准血压检测提供标定基础.

关键词：柔性可穿戴传感器光电容积脉搏波描记法脉搏波传输时间血压标定心率检测