“现代光信息传感”专题 前言

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——廖延彪 苑立波

    

[摘要]信息的变换与提取,即传感技术,是信息化时代的重要内容之一,光信息传感则是21世纪传感技术的一个重要领域。近年来光信息传感已在传感波长范围的扩充、传感器件的微型化、敏感材料的推陈出新等方面取得长足进步,其发展也直接影响到许多行业的进程...

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中国光纤传感40年

廖延彪 苑立波 田芊

清华大学电子工程系; 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院; 清华大学精密仪器系

[摘要]概述了中国光纤传感器(OFS)近40年发展的历史和现状, 回顾了该技术领域发展的三个阶段:迅速发展和制定国家规划阶段, 技术和市场不成熟陷入低谷阶段和进入市场走产业化道路阶段。从典型OFS技术及其应用、新型OFS技术与仪器发展这两个方面, 概述了中国学者所取得的主要技术成果, 包括:光纤Sagnac干涉仪及其在陀螺领域的应用;光纤迈克耳孙、马赫-曾德尔干涉仪在水声探测、石油勘探、地声探测方面的应用;光纤光栅传感技术及其在火灾报警中的应用;分布式OFS技术及其在智能结构与建筑领域的典型应用;光纤法布里-珀罗传感技术与应用以及新型OFS传感技术和生物医学应用。阐明了中国OFS研发交流平台的发展及其对OFS学术发展与技术促进的重要作用。指出了目前中国OFS技术发展过程中所面临的问题, 宏观上总结了OFS发展的经验并展望了其发展前景。

基于变分图像分解的电子散斑干涉信息提取方法

唐晨 陈明明 陈霞 李碧原 雷振坤

天津大学电气自动化与信息工程学院; 天津大学理学院; 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室

[摘要]介绍了变分图像分解图像处理方法的基本原理、常用的函数空间及变分图像分解模型?;毓肆私改瓯浞滞枷穹纸馔枷翊矸椒ㄔ诘缱由吒缮?ESPI)信息提取技术中的应用成果, 包括应用变分图像分解图像处理方法实现ESPI条纹图的滤波处理、ESPI条纹图方向和密度的计算和ESPI条纹图骨架线的提取。介绍了这些方法相较于传统方法的优势, 并进一步展望了变分图像分解图像处理方法在光测技术中的发展趋势。

光子晶体微纳传感技术的理论与实验研究进展

王超 孙富君 付中原 周健 丁兆祥 田慧平

北京邮电大学信息与通信工程学院信息光子学与光通信国家重点实验室

[摘要]光子晶体(PC)微纳传感器具有体积小、易集成、响应时间快、控光能力强、可实现无标签检测以及设计灵活等优点,在工业生产、海洋探测、生物医疗检测及环境监测等领域展现出巨大的应用前景。针对基于一维纳米束PC与二维平板PC的微纳光子传感技术,从传感器结构设计和传感性能提升方面,分析了当前国内外PC微纳传感的关键理论和实验技术进展,并通过对比分析,探讨了PC微纳传感技术在未来应用中所面临的挑战及未来发展的趋势。

干涉型光子晶体光纤陀螺技术研究

杨远洪 杨福铃 陆林 李慧 李帅

北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院

[摘要]为满足空间和其他领域的高精度制导导航控制系统的迫切需求, 开展了基于实芯保偏光子晶体光纤(PM-PCFs)的干涉型光子晶体光纤陀螺(PCFOG)的技术研究, 研究和开发了PCFOG专用PM-PCFs和掺铒PCFs(ED-PCFs)的制备技术、PCFs耦合技术和熔接工艺等关键技术, 研制出了PCFOG原型样机并进行了典型环境实验。研究结果表明, PCFOG在精度和环境适应性等方面都具备明显优势, 具备工程应用条件。

用于动态应变测量的快速分布式布里渊光纤传感

周登望 王本章 巴德欣 徐金龙 徐鹏柏 姜桃飞 张东昱 李惠 董永康

哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家重点实验室; 哈尔滨工业大学土木工程学院

[摘要]近些年,分布式布里渊光纤传感因具有分布式应变和温度的测量能力, 以及在结构健康监测领域的重要应用而受到广泛的研究。在多种传感方案中, 布里渊光时域分析(BOTDA)技术具有信噪比好、空间分辨率高、传感距离远等优点, 受到广泛关注。传统的BOTDA系统平均和扫频过程比较费时, 只适宜进行静态或缓慢的应变测量。通过分析BOTDA系统的分布式传感原理, 总结了限制其快速分布式传感测量的主要因素。针对这些限制因素, 综述了近期快速BOTDA系统取得的一系列的进展, 主要包括基于偏振补偿技术的快速BOTDA系统、基于光学捷变频技术的快速BOTDA系统、基于斜坡法的快速BOTDA系统、基于光学啁啾链的快速BOTDA系统、基于光学频率梳技术的快速BOTDA系统, 指出通过单一或者多个新技术组合而成的快速BOTDA系统具有更好的性能和更广阔的应用前景。

等离子体共振光纤光栅生物传感器综述

郭团

暨南大学光子技术研究院

[摘要]等离子体共振传感技术是当今实用化最强、最有可能实现单分子检测的生物医学检测技术之一。高灵敏度的等离子体共振传感技术与细如发丝的光纤载体相结合,为现代生物传感研究提供了一种可实现在体原位检测的全新方法。系统介绍了基于光纤光栅的等离子体共振生物医学传感机理与关键技术,通过能量汇聚的表面共振场实现了10-6~10-8 RIU的超高精度折射率测量,为生物医学提供了超低检出限(pM~fM量级)、特异性及原位实时检测新方法。此外,此类传感器还可提供绝对式/相对式多参量同时检测手段,能有效消除环境干扰影响,确保传感器的稳定性和可靠性。最后,回顾了近些年等离子体共振光纤光栅生物医学传感领域取得的研究进展(包括蛋白、血糖、微生物、气体等样本原位检测),并进行总结和展望。

光学相干域偏振测量技术及其在高精度光纤陀螺器件测量中的应用

杨军 苑勇贵 喻张俊 李寒阳 侯长波 张浩亮 苑立波

哈尔滨工程大学纤维集成光学教育部重点实验室; 哈尔滨工程大学理学院; 哈尔滨工程大学信息与通信工程学院; 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院

[摘要]光学相干域偏振测量(OCDP)技术是一种基于白光干涉原理, 利用保偏光纤器件和组件中的偏振传输模式之间存在的能量耦合(偏振串扰)实现分布式偏振特性精确表征的测试方法, 具有超高偏振测量灵敏度(偏振串扰为-100~-90 dB)、高空间分辨率(5~10 cm)、超宽测量动态范围(109~1010)和长光纤测量距离(数千米)等优点, 可以满足包括光纤陀螺核心器件和光路在内的保偏光纤器件与组件的超高偏振性能测试需求?;毓薕CDP原理与关键技术, 包括分布式偏振串扰的测试原理与精确建模方法以及OCDP仪器化若干关键技术;展示OCDP技术在超高消光比集成波导调制器、超长陀螺敏感环定量测试与诊断、评估中的应用;针对高性能光纤传感器复杂多变的应用环境, 展望OCDP技术在高精度光纤陀螺的核心器件与整机光路测试中未来的发展方向。

布洛赫表面波效应及其传感应用

万育航 郑铮

北京航空航天大学电子信息工程学院; 地球空间信息技术协同创新中心

[摘要]布洛赫表面波(BSW)技术是一种新型的基于全介质结构的光学传感技术, 具有低光学损耗、大相位跳变以及高设计自由度, 近年来得到了广泛的研究。不同的结构设计和检测方案被提出并得到验证, 相关技术被证明可用于免标记的生物传感检测、气体传感检测、荧光检测等。从BSW技术的基本原理、传感器件、检测系统和方法方面, 介绍了国内外BSW技术的研究进展。

飞秒激光制备光纤布拉格光栅高温传感器研究

廖常锐 何俊 王义平

深圳大学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

[摘要]光纤布拉格光栅具有体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰、传感灵敏度高、可实现准分布式测量等优点, 是一种重要的光纤传感器件。传统紫外激光制备光纤布拉格光栅时需要对光纤进行载氢预处理, 这种方法制备的光纤光栅热稳定较差, 无法用于极端高温环境。近年来, 随着飞秒激光在玻璃材料微加工领域研究的深入, 研究人员开始将飞秒激光应用于光纤光栅的研制, 飞秒激光制备光纤光栅具有更好的加工灵活性, 无需对光纤进行载氢预处理, 也无需剥除光纤涂覆层, 而且飞秒光纤光栅具有极佳的高温稳定性。介绍了光纤光栅的飞秒激光加工机理, 以及三种典型的光纤光栅飞秒激光制备方法, 综述了飞秒光纤布拉格光栅在高温传感领域的研究进展。

光纤法布里-珀罗传感器研究进展

陈伟民 雷小华 张伟 刘显明 廖昌荣

重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室;重庆大学光电工程学院

[摘要]光纤法布里-珀罗传感器作为一种干涉型的光纤传感器, 近10余年来进入了高速发展期, 在航空航天、石油化工、能源、土木和其他特殊行业得到应用, 尤其是在高温、高压、强辐射、狭小空间等特殊工作环境下展现出独特优势。从光纤法布里-珀罗传感器的基本原理出发, 回顾了其发展历史, 并分别从传感器、解调方法、硬件系统、应用技术等几个方面详细介绍了近期的技术进展以及未来的发展趋势。

光学电功率传感器研究综述

李长胜 崔翔

北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院; 华北电力大学电气与电子工程学院

[摘要]综述了现有各种光学电功率传感器的传感机理和主要特点, 提出了电功率传感器研究中存在的问题、方法和研究方向。光学电功率传感器一般具有测量范围大、响应频带宽和电气绝缘能力强等优点。根据光载波中是否含有电功率调制信号, 可将光学电功率传感器分为直接调制型和间接调制型两类;与光学电压、电流传感信号相比, 直接调制型光学电功率传感信号更加微弱, 且其有功功率传感信号为直流信号, 易与光载波强度波动混淆。对于单晶体型电功率传感器, 一般要求传感介质兼具线性电光、磁光效应, 或者具有双横向电光Pockels或Kerr效应;此外, 选择传感介质时应全面考虑其多重光学效应及其相互关系, 并应考虑如何避免或抑制传感信号的温度漂移。光学电功率传感器在智能电网、微波功率及电磁脉冲功率测量等领域具有潜在的应用前景。

基于光纤光栅传感器和卡尔曼滤波器的载荷识别算法

宋雪刚 刘鹏 程竹明 魏真 喻俊松 黄继伟 梁大开

南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室

[摘要]载荷识别在结构健康监测中的地位十分重要, 为了在结构健康监测的同时利用最优化算法对系统进行有效控制, 提出了一种基于光纤光栅(FBG)传感器和卡尔曼滤波器的载荷识别算法。该算法建立在卡尔曼滤波器的基础上, 以FBG传感器测得的应变值作为观测信号, 通过卡尔曼滤波器产生的增益矩阵、新息序列和协方差矩阵, 利用最小二乘算法实时估计载荷的大小。此算法只需采集前一时刻的估计值和当前时刻的观测值即可估计出当前时刻的载荷, 无需存储和读取大量数据。同时, 基于卡尔曼滤波器在进行结构健康监测的同时能够应用最优化算法对系统进行控制。为了对识别算法进行验证, 采用梁系统作为仿真和试验对象, 通过FBG传感器测得的应变值识别载荷。结果表明, 所提动态载荷识别算法能够很好地抑制噪声, 具有良好的稳定性和实时性。

一种中红外带间级联激光甲烷传感器的研制

郑文雪 郑传涛 姚丹 杨硕 党佩佩 王一丁

吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区, 电子科学与工程学院

[摘要]甲烷(CH4)是大气环境监测、工业过程控制、煤矿生产安全等多个领域中需重点监测的气体之一, 研制CH4传感器具有广泛的应用价值。利用CH4分子在3.31 μm附近的基频吸收带并选择其在3038.5 cm-1的吸收线作为目标谱线, 研制了一种基于中红外室温、连续、单模带间级联激光器(ICL)的CH4传感器。该传感器采用可调谐激光直接吸收光谱技术以及长光程(54.6 m)吸收光谱技术测定CH4气体浓度。自主研制了高灵敏、低功耗的激光器温度控制器和电流驱动器, 编写了基于LabVIEW的数据产生、采集与处理程序。利用体积分数为2.1×10-6的CH4标准气体和气体稀释系统配备了不同浓度的CH4气体样品, 开展了传感器的性能测试实验。根据传感器标准差的分析结果, 当采样周期为2.5 s时, 传感器的1σ检测下限约为1.1×10-8。利用该传感器对室外大气中CH4浓度进行了连续84 h的监测, 结果证实了所研制CH4传感器的工程实用价值。

基于匹配滤波解调的多芯Bragg光栅曲率传感器

郑狄 潘炜 Sales Salvador

西南交通大学信息科学与技术学院; ITEAM Research Institute, Universitat Politècnica de València

[摘要]设计了一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器, 并采用匹配滤波技术实现曲率解调。多芯光纤Bragg光栅曲率传感器是通过在多芯光纤的两个中心对称纤芯中写入Bragg光栅实现的。两个光纤Bragg光栅具有相似的反射谱和中心波长, 当多芯光纤发生弯曲时, 两个光纤Bragg光栅的反射谱叠加区域将发生改变。将两个光纤Bragg光栅构造成匹配滤波模式, 则两个光纤Bragg光栅反射谱的叠加区域面积决定了输出信号的光强, 而叠加区域的面积与光纤曲率有关。因此, 通过测量匹配滤波信号的功率可以实现曲率解调。结果表明, 匹配滤波技术能有效解调多芯光纤Bragg光栅曲率传感器, 最大曲率解调灵敏度为0.78 mW·m-1。此外, 测量了多芯光纤Bragg光栅曲率传感器在不同轴向应变和环境温度下的解调性能, 结果表明, 该曲率解调系统具有很强的抵抗外界环境波动的能力。

基于光纤声波传感的超高灵敏度光声光谱微量气体检测

陈珂 袁帅 宫振峰 于清旭

大连理工大学光电工程与仪器科学学院; 中国电力科学研究院高电压研究所

[摘要]结合光纤声波传感技术、纵向共振式光声探测技术、波长调制技术和二次谐波检测技术, 提出了一种基于光纤法布里-珀罗干涉传感器的悬臂梁增强型光声信号检测方法。针对光纤耦合近红外激发光的特点, 对共振式光声池进行了优化设计, 搭建了一套超高灵敏度的激光光声光谱微量乙炔气体检测系统。实验结果表明, 当测量时间为60 s时, 该系统对乙炔气体的检测极限达到8×10-10。

基于混沌激光干涉的分布式光纤声音传感

王宇 靳宝全 张建国 王东 张明江 王安帮 王云才

太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室; 煤与煤层气共采国家重点实验室

[摘要]提出了一种基于混沌激光干涉的分布式光纤声音传感系统, 利用外腔反馈式半导体混沌激光作为传感光源, 借助非等长的马赫-曾德尔双臂引入干涉光程差, 通过直线型Sagnac结构克服了环形干涉系统的互易效应, 利用频谱的零频点实现了声音信号的分布式定位。实验结果表明, 该系统可实时提取1 kHz的单音信号及200~900 Hz频率范围内的语音信号。与传统的宽带放大自发辐射激光相比, 基于混沌激光干涉的传感系统具有更好的声音频响曲线、更高的检测灵敏度以及均匀的平面指向性, 并在12 km长的单模光纤上实现了宽谱声音定位, 为分布式光纤声音传感系统提供了一种新的灵敏度提升方案。

基于多层石墨烯材料的光纤声波传感器

李晨 陆雪琪 庾财斌 吴繁 吴宇

电子科技大学信息与通信工程学院光纤传感与通信教育部重点实验室

[摘要]研究了一种基于多层石墨烯材料的光纤声波传感器, 该传感器是由单模光纤和多层石墨烯薄膜构成的光纤法布里-珀罗干涉腔结构。分别采用多层的石墨烯和氧化石墨烯(GO)材料作为声压敏感薄膜, 进行声波传感实验研究。结果表明, 在音频范围内, 基于石墨烯和GO薄膜的光纤声波传感器的平均信噪比分别达到56 dB和69 dB, 平均最小可探测声压灵敏度分别为20.8 μPa·Hz-1/2和6.63 μPa·Hz-1/2, 远低于电学声波传感器的最小可探测声压灵敏度?;谑┎牧系墓庀松ù衅骶哂懈叩纳觳饬槊舳? 适用于强电磁干扰、狭小空间等环境下的微声压测量。

涡旋光波前畸变校正实验研究

柯熙政 王夏尧

西安理工大学自动化与信息工程学院

[摘要]涡旋光在大气湍流中传输时会发生波前畸变, 故需要进行波前校正。相比于传统的带有波前传感器的自适应光学校正系统, 采用随机并行梯度下降算法的无波前传感器的自适应光学校正系统具有硬件实现简单、对光强闪烁等复杂环境的适应性好等优点。仿真结果表明:该系统对单模涡旋光和多模复用涡旋光都可实现波前畸变校正, 能提高模式纯净度。实验结果表明:经校正, 单模涡旋光的光强相关系数可提高至0.85左右, 多模复用涡旋光的光强相关系数可提高至0.72左右, 单模涡旋光波前畸变的校正效果优于多模复用涡旋光。仿真和实验结果均表明, 采用随机并行梯度下降算法的自适应校正技术可有效实现涡旋光波前畸变校正。

基于偏斜度、陡峭度特征的光纤布拉格光栅冲击载荷定位

喻俊松 梁大开

南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室

[摘要]针对复合材料结构上低速冲击载荷位置识别问题, 通过构建分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感网络, 分析了光纤布拉格光栅传感器感知的冲击响应信号时间序列的偏斜度、陡峭度与到传感器之间距离的关系。通过不同位置传感器感知的冲击响应信号的偏斜度和陡峭度对冲击载荷所在的区域和到各个传感器之间的距离进行了辨识, 采用加权质心定位算法实现了冲击载荷位置的坐标定位。实验结果表明:在碳纤维复合材料板上240 mm×240 mm的监测区域内随机选取16个测试样本点进行低速冲击定位识别, 实现了所有冲击实验点的区域辨识, 坐标定位的平均误差为20.7 mm。研究结果为碳纤维复合材料板的低速冲击定位提供了一种可靠的方法。

高精度中红外大气C2H6传感系统的研制

叶玮琳 孟永贤 周波 余红志 何迅 吴福培 郑志丹 郑传涛

汕头大学智能制造技术教育部重点实验室; 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

[摘要]C2H6作为温室气体之一, 对光化学污染的产生和臭氧层的破坏具有促进作用。C2H6在大气中的含量极低, 对传感器的探测精度具有较高要求。报道了一种使用中红外连续波长带间级联激光器(ICL)检测大气中C2H6浓度的传感器, 其测量精度可达到10-9量级。采用容积为220 mL、光程为54.6 m的多通池增加气体吸收光程,降低检测下限, 提高灵敏度。采用LabVIEW虚拟仪器平台编程产生激光器扫描、调制信号及其叠加, 通过数据采集卡(DAQ)输出到ICL驱动源。通过DAQ读取探测器输出信号, 由LabVIEW程序进行信号的锁相放大及二次谐波提取。实验结果表明:当系统采样时间为1.67 s时, 阿伦标准差为1.86×10-9, 且阿伦标准差在平均时间为775 s时达到最小值, 即系统达到最佳稳定度, 为0.026×10-9。将该系统放置于燃气站进行检测实验, 证明所研制的C2H6传感器具有实用价值。

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邵敏 韩亮 兆雪 傅海威 乔学光

西安石油大学理学院

[摘要]为了简化光纤液位传感器的设计与制作工艺, 提出了一种基于纤芯失配模间干涉的在线型光纤迈克耳孙干涉仪, 由单模光纤熔接一段细径光纤构成。单模-细径光纤熔点处充当耦合器, 激发出光纤高阶包层模, 纤芯基模与高阶包层模被细径光纤端面反射后传输至单模光纤产生模间干涉并输出。传感器干涉条纹清晰、对比度高, 对环境液位改变敏感。对细径光纤长度为12 mm的传感器进行了不同溶液液位和温度响应特性的实验研究, 实验结果表明在0~9 mm 的液位变化范围内, 干涉谷波长与液位呈线性关系, 水液位灵敏度为-0.116 nm/mm, 质量分数为4.7%的 NaCl溶液液位灵敏度为-0.129 nm/mm;在20~80 ℃的水温变化范围内, 干涉谷的温度灵敏度为0.038 nm/℃。传感器结构简单、制作简便, 而且成本低廉, 在石油化工等领域具有较好的应用前景。

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