应用科学学报

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2020, 38(2): 0-0.

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本期是“光纤传感技术专辑”的第3期，围绕分布式光纤传感器、微结构光纤传感器、以及微结构光纤与分布式传感的融合，安排了7篇综述长文.
分布式光纤传感器利用光纤本身作为传感介质，形成连续分布式的传感网，能够实现电子传感网（无论有线或者无线连接）所难以实现的长距离（大范围）、高密度、多参量连续监测，在工业物联网、智慧能源、智慧城市、智慧海洋等领域，具有无可比拟的优势和广泛的应用前景.分布式光纤传感器一般基于光纤中的背向散射（包括瑞利散射、拉曼散射或布里渊散射）实现被测量的检测，并基于光反射仪的原理实现被测点的定位.本期当中《布里渊光时域分析动态应变传感技术研究进展》一文，针对传统的布里渊光时域分析技术（BOTDA）需要扫频而限制传感速度难以实现动态应变传感的问题，分别综述了基于斜坡辅助的BOTDA、基于捷变频技术的BOTDA、基于频率梳的无扫频BOTDA和基于啁啾泵浦/探测光的动态BOTDA等技术方案在近年来取得的进展，并对布里渊光时域动态应变传感技术的发展前景进行了展望.《分布式光纤传感技术在煤矿地质监测中的应用》一文则介绍了布里渊光时域反射仪（BOTDR）技术在煤矿地质监测中的应用，重点介绍了采用BOTDR进行采空区地层变形监测的方法和结果，表明分布式光纤传感技术能够满足煤矿地质监测指标和需求.
光纤光栅、微型谐振腔等形式多样的光纤光学微结构，具有波长选择性好、插入损耗低、结构灵活多变、集成度高、与光纤兼容等优点.微结构光纤传感器利用光纤微结构实现各种传感功能，一直是光纤传感研究领域当中最为活跃的部分之一.本期当中《少模光纤长周期光栅——从模式转换到高灵敏度光纤传感》一文，综述了少模光纤长周期光栅在模式转换和光纤传感方面的研究进展，包括少模光纤长周期光栅的制备技术、模式耦合原理和少模光纤长周期光栅模式转换器，着重介绍了基于少模光纤长周期光栅的光纤传感器的工作原理和实现方法.《光纤微腔法布里-珀罗干涉传感器研究进展》一文，介绍了光纤微腔法布里-珀罗干涉传感器技术的最新研究进展，包括对温度、压力、液体折射率、氢气质量分数、有机挥发物质量分数等参量的测量，并详细介绍了传感器的制作方法、传感原理和实验结果.《基于微结构光纤的温度传感器研究》一文，则综述了采用几种微结构光纤研制的具有不同性能的温度传感器，包括利用液体填充微结构光纤制作的在线式全光纤Mach-Zehnder干涉式温度传感器、基于全固态光子带隙光纤内的高阶导模制作的结构紧凑的Michelson高温传感器、利用柚子型小纤芯微结构光纤制作的微腔F-P高温传感器、以及基于多参量荧光光纤制作的有源温度传感器.
基于光纤光栅或微型谐振腔的光纤传感器，由于其与光纤传输的天然兼容性，特别是可以通过波分（频分）、时分、码分、空分等多种复用解调技术，构成大容量高密度的传感阵列或网络，实现准分布式传感.在这方面，本期当中的《波长编码型光纤传感器高精度解调技术研究进展》一文，介绍了波长编码型光纤传感器高精度解调技术的最新研究进展.文中分析了适用于高精度光纤应变传感器的光纤光栅和光纤谐振腔元件，介绍了近年提出的前馈式扫频激光线宽压缩技术和闭环轮询式探测方案，并介绍了基于该方案的高精度光纤应变传感阵列实现地壳形变观测的应用实例.
最后，《新型微结构光纤分布式声波传感技术及应用》一文，介绍了将分布式光纤传感技术与微结构光纤相融合，实现微结构光纤分布式声波传感的研究进展.该项工作通过在普通单模光纤的纤芯采用精密光刻技术连续制备纵向微结构散射单元，形成一种分布式微结构光纤.这种分布式微结构光纤相对于一般分布式光纤传感器所采用的普通光纤，具有增强的背向光散射，因而微结构光纤分布式声波传感器能够实现高信噪比、高灵敏度等方面的优越性能.
以上7篇综述，反映了国内外光纤传感技术领域的最新进展和我国相关研究团队的最新成果，能够为光纤传感技术领域的学生和研发人员提供有益的参考.

布里渊光时域分析动态应变传感技术研究进展

朱涛, 郑华, 张敬栋

2020, 38(2): 197-214. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2020.02.001

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布里渊光时域分析（Brillouin optical time domain analysis，BOTDA）可以实现长距离、分布式、高空间分辨率、高精度的应变传感，在大型基础设施健康监测、飞行器状态监测领域具有广阔的应用前景.然而传统的BOTDA需要扫频，传感速度较慢，难以实现动态应变的测量.针对这一问题，根据工作原理的不同分别综述了斜坡辅助BOTDA（slope-assistedBOTDA，SA-BOTDA）、快速BOTDA（fast BOTDA，F-BOTDA）、免扫频BOTDA（sweepfree BOTDA，SF-BOTDA）和基于啁啾泵浦/探测光的动态BOTDA近年来的进展情况，对比了各种技术的优缺点，并对布里渊光时域动态应变传感技术的发展前景进行了展望.

分布式光纤传感技术在煤矿地质监测中的应用

李世念, 张旭苹, 宋宏, 陈健, 张益昕, 陆金波, 赵晓京

2020, 38(2): 215-225. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2020.02.002

摘要 ( 956 )

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煤炭一直是中国的主体能源，煤矿地质监测是煤矿安全生产的重要保障.分布式光纤传感技术具有感测点连续、高精度、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，在煤矿地质监测中有重要的应用.该文介绍了布里渊光时域反射（Brillouin optical time domain reflectometry，BOTDR）技术在煤矿地质监测中的应用.重点介绍了采用分布式光纤传感技术进行采空区地层变形监测的方法和结果.结果表明，分布式光纤监测技术能够满足煤矿地质监测需求，具有良好的应用前景.

光纤微腔法布里-珀罗干涉传感器研究进展

赵春柳, 李嘉丽, 徐贲, 龚华平, 王东宁

2020, 38(2): 226-259. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2020.02.003

摘要 ( 1007 )

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光纤微腔传感器因本质安全、体积小、成本低、抗电磁干扰等优点，在光纤传感领域中获得了广泛关注.针对光纤微腔法布里-珀罗干涉传感器可测参量多并可实现多参量同时测量的特点，重点介绍了光纤微腔法布里-珀罗干涉传感器技术的研究进展，包括对温度、压力、液体折射率、氢气质量分数、有机挥发物质量分数等参量的测量，详细介绍了传感器的制作方法、传感原理和实验结果.

基于微结构光纤的温度传感器研究

耿优福, 李学金

2020, 38(2): 260-278. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2020.02.004

摘要 ( 1842 )

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对基于模间Mach-Zehnder干涉式、Michelson干涉、F-P干涉和荧光等原理的微结构光纤温度传感器开展了较为系统和深入的研究，建立了相关理论，研制出了一系列新型光纤温度传感器及其功能器件.展示了一种新型的多参量荧光光纤有源温度传感器，并建立一种新的信号处理方法；利用液体填充微结构光纤制作出的在线式、全光纤Mach-Zehnder干涉式温度传感器，敏感度达–1.83 nm/℃；利用全固态光子带隙光纤内的高阶导模来制作结构紧凑的Michelson高温传感器，传感头尺寸仅为1.03 mm；基于柚子型小纤芯微结构光纤制作了微腔F-P高温传感器，温度的灵敏度为17.7 pm/℃，测量温度达1 000℃.

波长编码型光纤传感器高精度解调技术研究进展

陈嘉庚, 刘庆文, 赵双祥, 何祖源

2020, 38(2): 279-295. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2020.02.005

摘要 ( 725 )

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介绍了波长编码型光纤传感器高精度解调技术的最新研究进展，所涉及的解调技术能够实现对波长编码型光纤传感单元阵列的亚纳应变级分辨率的测量能力.首先回顾了光纤光栅应变传感技术，分析了高精度光纤应变传感器所选用的敏感元件；然后介绍了前馈式扫频激光线宽压缩技术和闭环轮询式探测技术，详述其理论原理、实现方案、性能指标；最后介绍了基于上述技术实现的高精度光纤应变传感系统实现地壳形变观测的应用实例，为各类高性能光纤传感器的研究与应用提供参考.

新型微结构光纤分布式声波传感技术及应用

刘德明, 贺韬, 许志杰, 孙琪真

2020, 38(2): 296-309. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2020.02.006

摘要 ( 1061 )

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介绍了一种新型分布式微结构光纤及微结构光纤分布式声波传感技术.通过在普通通信光纤的纤芯采用精密光刻技术连续制备纵向微结构散射单元，形成一种新型分布式微结构光纤（distributed microstructure optical fber，DMOF）.基于这种DMOF研制的微结构光纤分布式声波传感系统（microstructure fber distributed acoustic sensor，MF-DAS），采用微结构光散射增强，MF-DAS传感信号的信噪比得到大幅提升；通过微结构光纤链路均衡，大幅度降低MF-DAS近远端传感信号差值；提出微结构光时域反射（microstructure opticaltime domain reflection，M-OTDR）时隙分插复用扩频，显著增大了分布式声波探测频响带宽.这种新型的MF-DAS系统具备高灵敏、大尺度、宽频响等优越性能，在地下及水下声波信息获取、重大基础设施内部损伤探测与外部侵害安全监测等领域具有十分广阔的应用前景.

少模光纤长周期光栅——从模式转换到高灵敏度光纤传感

赵云鹤, 刘云启

2020, 38(2): 310-338. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2020.02.007

摘要 ( 753 )

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少模光纤长周期光栅具有波长选择性好、插入损耗低、结构灵活多变、集成度高、与光纤系统兼容等优点，是实现少模光纤中模式转换、涡旋模式调控的有效手段，在光纤通信和光纤传感领域都展现了巨大的应用价值.该文介绍了少模光纤长周期光栅在模式转换和光纤传感方面的研究进展，首先介绍了少模光纤长周期光栅的制备技术、模式耦合原理，重点介绍了少模光纤长周期光栅模式转换器，包括标准长周期光栅和螺旋长周期光栅，最后详述了基于少模光纤长周期光栅的光纤传感器的工作原理和实现方法.

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