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《光学学报》Highlight—— 瑞利布里渊光时域分析系统传感性能..: Chineselaser 2017-3-3 15:10; 《光学学报》2017年第1期Highlight—— 瑞利布里渊光时域分析系统传感性能的提升方法布里渊光时域分析(BOTDA)技术需要由光纤两端注入相向传输的抽运光和探测光，系统结构复杂，当光纤断裂时二者将无法发生受激布里渊散射(SBS)作用。瑞利BOTDA技术将光纤的背向瑞利散射作为探测光，只需在光纤的一端输入光信号即可实现测量，但因探测光功率远小于入射光，存在信号小、噪声大的问题。为了解决传统瑞利BOTDA系统信噪比低的问题，可通过提高入射光功率来增大信号强度，但高功率的输入光会使系统发生单端SBS效应，从而使传感距离受限，而多波长激光光源技术则是提高光纤SBS阈值、减小相干瑞利噪声和提升系统信噪比的有效方法。本研究在瑞利BOTDA系统中引入多波长光源，通过改变相位调制器的参数将单波长激光调制为多波长激光，多波长抽运光与多波长探测光发生SBS作用，通过检测携带SBS信息的多波长探测光可获得沿光纤的温度/应变信息。实验表明，三波长瑞利BOTDA系统光纤SBS阈值约为单波长时的3倍，信噪比提高约2.83倍。多波长瑞利BOTDA技术原理及SBS作用能量转移示意图瑞利BOTDA技术具有单光源、单端工作和非破坏等独特优点，克服了传统BOTDA系统结构复杂、光纤断裂时无法进行检测等缺陷，而多波长光源的应用为实现高性能、长距离的瑞利BOTDA传感系统提供了理论和实验依据，可望使其形成诸如光纤通信常用设备光时域反射计(OTDR)的测量设备，在大型工程结构的健康诊断、故障监测及定位等领域得到广泛应用。多波长光源技术可提高系统信噪比，利用光学频率梳可使系统性能得到进一步提升；本研究室将在本研究的基础上进行进一步的理论和技术创新，以期实现基于瑞利BOTDA的高性能温度/应变/振动/波动等多参量的传感测量。作者课题组合影：论文链接：李永倩,张立欣,李晓娟,杨润润. 瑞利布里渊光时域分析系统传感性能的提升方法 . 光学学报, 2017, 37(1): 0106001; 3398 次阅读|0 个评论

光纤传感半月谈（15）: 热度 6 zhwt 2013-7-23 09:18; 最近两周读到的光纤传感器方面的文章。几篇强度调制的光纤传感器：新加坡的 Ge, Y. 等报道了强度调制的双轴光纤加速度传感器（ Ge, Y., et al. (2013). "Development of a low-cost bi-axialintensity-based optical fibre accelerometer for wind turbine blades." Sensors and Actuators a-Physical 197:126-135. ），其原理比较简单（图 1 ），但是作者的分析比较深入。图 1 强度调制的光纤加速度传感器瑞典的 Jason, J. 等人报道了光纤位置传感器（ Jason, J., et al.(2013). "Robustness analysis of an intensity modulated fiber-opticposition sensor with an image sensor readout system." APPLIED OPTICS 52(16): 3876-3883. ），如图 2 。该传感器的原理同样很简单，但作者对系统特性的分析却很深入，这一点值得我们学习。图 2 光纤位置传感器印度的 Patil, S. S. 等人报道了采用强度调制型传感器监测蓄电池的充电状态（ Patil, S. S., et al. "Analysis of refractometric fiber opticstate-of-charge (SOC) monitoring sensor for lead acid battery." Optik - International Journal for Light andElectron Optics . ），其原理是充电时会改变介质折射率，从而改变探测光强（图 3 ）。图 3 监测铅蓄电池充电状态的光纤传感器韩国的 So-Yeon Cho 等报道了采用渗透性膜片进行压力和气体传感（ Cho, S. Y., et al. (2013). "Rugate-structured free-standing poroussilicon-based fiber-optic sensor for the simultaneous detection of pressure andorganic gases." Sensors andActuators B-Chemical 183: 428-433. ），如图 4 。膜首先是一种弹性元件，因此可以作为压力传感器的反射面，同时由于具有渗透性，也可作为气体传感器（气体渗人后改变反射光特性）。图 4 基于渗透膜的压力传感器几篇 FP 传感器：墨西哥的 Jauregui-Vazquez 等人报道了光纤 FP 腔的制作方法（ Jauregui-Vazquez,D., et al. (2013). "An All Fiber Intrinsic Fabry-Perot InterferometerBased on an Air-Microcavity." Sensors 13(5): 6355-6364. ）。该传感器采用 SMF 和空心 PCF 熔接而成（图 5 ）。作者给出了比较详细的制作工艺以及潜在的应用前景。图 5 采用 SMF 与 PCF 熔接形成空气 FP 腔台湾的 Cheng-Ling Lee 等人报道了用金膜形成在线 FP 传感器用于温度传感（ Lee, C. L., et al.(2013). Microcavity fiber Fabry-Perot interferometer with embedded golden thinfilm for high temperature measurement. IeeeInternational Symposium on Next-Generation Electronics 2013 , New York,Ieee. ），如图 6 ，其结构与早些发表的折射率传感器（ Lee, C. L., et al.(2013). "Microcavity Fiber Fabry-PerotInterferometer With an EmbeddedGolden Thin Film." IEEE PhotonicsTechnology Letters 25(9): 833-836. ，在半月谈 12 期中提到过）类似。图 6 光纤镀金膜形成 FP 传感器国防科大的 Lin, H. 等报道了 FP 传感器时分复用系统中多次反射造成的串扰影响（ Lin, H., et al. (2013). "Multiple Reflections Induced Crosstalk inInline TDM Fiber Fabry-Perot Sensor System Utilizing Phase Generated CarrierScheme." Lightwave Technology,Journal of 31(16): 2951-2958. ）。加拿大的 Kung, P. 等报道了采用低反的 FBG 形成 FP 腔用于变压器局放监测（ Kung, P., et al.(2013). Adapting the FBG cavity sensor structure to monitor and diagnose PD inlarge power transformer. Electrical Insulation Conference (EIC), 2013 IEEE. ）。几篇分布式的文章：瑞士的 Marcelo A. Soto 报道了通过改进编码技术提高 BOTDA 传感器性能的方法（ Soto, M. A., et al.(2013). "Bipolar optical pulse coding for performance enhancement in BOTDAsensors." Opt. Express 21(14):16390-16397. ）。西班牙的 Javier Urricelqui 等报道了通过 phase-modulatedprobe wave 和 RF 解调对 BOTDA 系统的改进（ Urricelqui, J., etal. (2013). "BOTDA measurements tolerant to non-local effects by using aphase-modulated probe wave and RF demodulation." Opt. Express 21(14): 17186-17194. ）。南京大学的 Feng Wang 等报道了基于 BOTDR 和 POTDR 的分布式应变和振动传感器（ Wang, F., et al.(2013). "Distributed fiber strain and vibration sensor based on Brillouinoptical time-domain reflectometry and polarization optical time-domain reflectometry." Opt. Lett. 38(14): 2437-2439. ），系统图如图 7 所示。图 7 基于 BOTDR 和 POTDR 的分布式应变和振动传感器意大利的 Aldo Minardo 等人报道了采用 BOTDA 监测铁路列车运行的实例（ Minardo, A., et al.(2013). "Real-time monitoring of railway traffic using slope-assistedBrillouin distributed sensors." APPLIEDOPTICS 52(16): 3770-3776. ），图 8 为光缆的布设情况，图 9 为一列列车经过时引起的应变情况。图 8 光缆在钢轨上的布设图 9 列车经过时引起的应变其他方面：英国的 Scott, R. H. 报道了采用光纤传感器对桥梁应变监测的实例（ Scott, R. H., et al. (2013). "Commissioning and Evaluation of aFiber-Optic Sensor System for Bridge Monitoring." IEEE SENSORS JOURNAL 13(7): 2555-2562. ），图 10 为光纤传感器的布设，图 11 为监测到列车经过时的应变。图 10 光纤传感器的布置（右下（ b ）图，原文似误）图 11 光纤传感器监测到的应变香港理工大学的 Chao Wang 等报道了一个非常有意思的试验，将 PCF 进行拉锥形成空气微腔，从而可以在传感领域应用（ Wang, C., et al. (2013). "Suspended core photonic microcells forsensing and device applications." OPTICSLETTERS 38(11): 1881-1883. ），如图 12 。文中报道的一个实例是在空气腔中的纤芯相当于悬臂梁从而形成一个加速度传感器。图 12 利用 PCF 形成空气腔武汉理工大学的 Yutang Dai 等报道了在光纤上刻微槽并涂覆磁致伸缩材料的磁场传感器（ Dai, Y., et al. (2013). "Magnetic field sensor based on fiber Bragggrating with a spiral microgroove ablated by femtosecond laser." Opt. Express 21(14): 17386-17391. ），如图 13 ，通过微槽灵敏度提高 5 倍左右。图 13 磁致伸缩材料涂覆并刻微槽的 FBG 磁场计武汉理工的 Yongxing Guo 等报道了金属涂覆的 FBG 加速度传感器（ Guo, Y., et al.(2013). "Welding-packaged accelerometer based on metal-coated FBG." chineseoptics letters 11(7): 70604-70606. ），金属涂覆后焊接质量块，灵敏度 1.7 pm/g ，自振频率 3.6 kHz 。图 14 金属涂覆的 FBG 加速度传感器日本的 Hiroshi Tsuda 报道了 FBG 的声发射（ AE ）传感器（ Tsuda, H., et al.(2013). "Development of fiber optic broadband vibration-detectionsystem." Synthesiology 6(1): 50-59. ）。光纤 SPR 传感器： Huang, Y., et al."Theoretical analysis of voltage-dependent fiber optic surface plasmonresonance sensor." Optics Communications. 基于 SPR 的 TNT 传感器： Cennamo, N., et al."SENSORS BASED ON SURFACE PLASMON RESONANCE IN A PLASTIC OPTICAL FIBER FORTHE DETECTION OF TRINITROTOLUENE." Sensors and Actuators B: Chemical. 光纤氧气传感器： Medina-Rodriguez,S., et al. (2013). "An open and low-cost optical-fiber measurement systemfor the optical detection of oxygen using a multifrequency phase-resolvedmethod." Sensors and Actuators B-Chemical 176: 1110-1120.; 11174 次阅读|6 个评论

光纤传感半月谈（14）: 热度 4 zhwt 2013-7-9 15:25; 6 月份看到的光纤传感文献，首先是几篇关于 FP 传感器的。香港理工大学的 Wang, Y. 等报道了采用一个空气腔形成 FP 压力传感器的方法（ Wang, Y., et al.(2013). Compressible fiber optic micro-Fabry-Perot cavity with ultra-highpressure sensitivity. Opt. Express 21(12): 14084-14089. ），如图 1 所示，在光纤的端面上熔接了空心光纤后插入水中就形成了一个压力传感器。该传感器表现出了很高的灵敏度，但是其灵敏度与温度、静水压均相关。图 1 利用空气腔形成 FP 传感器斯坦福大学的 Wu, X. 等报道了短腔多模光纤 FP 传感器的特性（ Wu, X. and O.Solgaard (2013). Short-cavity multimode fiber-tip Fabry-Perotsensors. Opt. Express 21(12):14487-14499. ），文章对光纤的数值孔径、腔长、多模的影响进行了比较详细的分析，很具参考价值。图 2 短腔多模光纤 FP 传感器的两种封装形式重庆大学的 Wang, D. H. 等报道了光纤 FP 加速度传感器（ Wang, D. H. and P.G. Jia (2013). Fiber optic extrinsic Fabry-Perot accelerometer usinglaser emission frequency modulated phase generated carrier demodulationscheme. Optical Engineering 52(5). ），采用 PGC 方案进行解调，实现了在 13 rad/g 的灵敏度下 450 μ g/ √ Hz 的分辨率（图 3 ）。图 3 FP 加速度传感器伊朗的 Cheri, M. S. 等报道了采用 FP 腔的流速传感器（ Cheri, M. S., etal. (2013). Fabrication, characterization, and simulation of acantilever-based airflow sensor integrated with optical fiber. APPLIED OPTICS 52(14): 3420-3427. ），图 4 。个人感觉该传感器在微流速测量方面具有一定优势。图 4 基于 FP 腔的流速传感器其次有几篇与 PCF 或微结构传感器相关的论文。西北大学的 Du, Y. Y. 等报道了采用单模光纤与光子晶体光纤熔接形成 Michelson 干涉仪的传感特性（ Du, Y. Y., et al. (2013). Polarization-dependent in-linequasi-Michelson interferometer based on PM-PCF reflection. APPLIED OPTICS 52(15): 3591-3596. ），如图 5 ，报道的应变灵敏度− 1.3 pm/ με ，扭转灵敏度 -19.17 pm/deg 。图 5 采用 SM 与 PCF 熔接的在线光纤干涉仪韩国的 Kassani, S. H. 等人报道了采用 C 型光纤与 PCF 熔接形成气体传感器的方法（ Kassani, S. H., etal. (2013). Fast response in-line gas sensor using C-type fiber andGe-doped ring defect photonic crystal fiber. Opt. Express 21(12): 14074-14083. ），图 6 。图 6 利用 C 型光纤与 PCF 熔接形成的气体传感器香港理工大学的 Yang, F. 等人报道了空心 PCF 的声压灵敏度（ Yang, F., et al.(2013). Enhancement of acoustic sensitivity of hollow-core photonicbandgap fibers. Opt. Express 21(13): 15514-15521. ），通过涂覆，该 PCF （由 HC-1550-02 光纤腐蚀，图 7 ）的声压灵敏度较普通光纤高 25 dB 。图 7 腐蚀前后的 HC-1550-02 光纤端面马萨诸塞大学卢维尔分校的 Tian, Y. 等报道了在光纤端面上通过金纳米孔实现超声发射（ Tian, Y., et al. (2013). Fiber-optic ultrasound generator usingperiodic gold nanopores fabricated by a focused ion beam. Optical Engineering 52(6):065005-065005. ），图 8 。图 8 金纳米孔的结构（上）和显微照片（下）有两篇加速度计相关的文章。台湾国立高雄第一科技大学的 Liang, T.-C. 等报道了采用光纤传感器测量地震动的方法（ Liang, T.-C. and Y.-L. Lin A fiber-optic sensor for the groundvibration detection. OpticsCommunications . ），如图 9 。在我看来，他们所使用的传感器更像一个水听器。图 9 用于测量地震动的传感器系统印度的 Basumallick, N. 等人报道了悬臂梁 FBG 加速度计设计的优化（ Basumallick, N., etal. (2013). Design optimization of fiber Bragg grating accelerometer formaximum sensitivity. Sensors andActuators A: Physical 194: 31-39. ），这种优化是通过添加一个垫片实现的，灵敏度可高达 1062 pm/g （图 10 ）。图 10 增加垫片的悬臂梁 FBG 加速度计两篇分布式光纤传感器的文章。南京大学的 Zhang, X. P. 等报道了采用外差法的 BOTDA 与 COTDR 复合传感系统（ Zhang, X. P., etal. (2013). A Hybrid Single-End-Access BOTDA and COTDR Sensing SystemUsing Heterodyne Detection. JOURNALOF LIGHTWAVE TECHNOLOGY 31(12): 1954-1959. ）。图 11 采用外差法的 BOTDA 与 COTDR 复合传感系统大连理工大学的 He, J. P. 等人报道了集成 FBG 和 BOTDA 技术的智能桥索（ He, J. P., et al.(2013). Optic fiber sensor-based smart bridge cable with functionality ofself-sensing. Mechanical Systemsand Signal Processing 35(1-2): 84-94. ）。图 12 集成 FBG 和 BOTDA 技术的智能桥索其他方面的报道。美国 NRL 的 Cranch, G. A. 等报道了在低雷诺数下悬臂梁上光纤激光器的振动特性（ Cranch, G. A., et al. (2013). Low frequency driven oscillations ofcantilevers in viscous fluids at very low Reynolds number. Journal of Applied Physics 113(19). ），分别对矩形梁和圆形梁进行了研究（图 13 ）。本人认为这一研究对光纤激光加速度传感器及矢量水听器颇具意义。图 13 固定在悬臂梁上的光纤激光器爱尔兰利默里克大学的 Tosi, D. 等分析了高反的 FBG 造成的光反馈对 DFB 激光器的影响（ Tosi, D. (2013).FBG/DFB-induced chaotic self-mixing analysis and sensingapplications. Optics LaserTechnology 50: 176-181. ）。印度的 Patil, S. S. 等人报道了强度调制的光纤位移传感器（ Patil, S. S., et al. Theoretical Modeling, Simulation andExperimental studies of fiber optic bundle displacement sensor. Sensors and Actuators A: Physical . ），如图 14 所示。该文处于录用阶段，有些图还不是很清楚。图 14 光纤位移传感器还有两篇关于 SPR 或化学类的传感器报道。 Huang, Y., et al. Influence of ions on dynamic response of surfaceplasmon resonance fiber optic sensor. Sensors and Actuators B: Chemical. Shemshad, J. Design of a fibre optic sequential multipoint sensorfor methane detection using a single tunable diode laser near 1666 nm.Sensors and Actuators B: Chemical.; 个人分类: 综述|9209 次阅读|4 个评论

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