光纤内包层正交光栅及其矢量振动传感技术研究

To identify vibration direction, as one of the key problems in the research of vibration sensing worldwide, the project proposes a new technology based on a cladding-type orthogonal fiber Bragg grating (OFBG) inscription over the inner claddings of a multi-cladding fiber (MCF) to realize an orientation-recognized vector vibration measurement. The research includes analyzing the cladding modes excitation and coupling mechanism in OFBG, improving their sensing characters of direction-dependent vibration, and utilizing the vector analysis method to identify the directions of two-dimensional (2D) vibration using only one MCF-OFBG. Meanwhile, the project will realize the ability of multiplexing a large number of such sensors via the wavelength-division multiplexing (WDM), which needs optimize the femtosecond laser-based OFBG inscription technique to compress the reflection spectral bandwidth of MCF-OFBG, and employ the highly integrated 2D power detection technology. The project aims to realize a fiber-optic vector vibroscope with the desirable features including compact size, high sensitivity, orientation identifiable and multiplexing capability by solving the corresponding scientific and technical problems. The research contents of the project have important scientific significance in the novel fiber grating realization, and extensive application prospect in the fine description of the deep oil and gas reservoirs, security monitoring of the carbon dioxide capture and storage (CCS) and micro-seismic monitoring field.

本申请针对目前国内外光纤振动传感领域振动方向识别的难点问题，提出基于光纤内包层正交光栅的矢量振动传感技术，分析写制于光纤内包层的正交光栅的模式激励机理与耦合特性，提高光纤包层模对振动方向的感知力，利用正交分量解调技术与矢量合成分析方法实现基于光纤内包层正交光栅的二维振动方向识别。与此同时，通过优化光纤光栅结构与写制工艺，压缩单个传感器占用带宽，配合高度集成的二维阵列探测技术，实现多个传感器阵列的波分复用。本项目拟解决光纤内包层正交光栅写制、传感器微型化、振动方向信息识别等关键科学和技术问题，形成一种具有自主知识产权的高灵敏、方向可识别、复用能力强的光纤振动传感器技术。本项目研究不仅在新型光纤光栅研究方面有着重要的科学意义，而且在深层油气藏精细描述、二氧化碳地质封存安全、井下微地震监测等领域具有广泛的应用前景。

本项目针对目前复杂环境振动信号高灵敏度检测及方向识别的技术难题，研究并实现了基于光纤内包层正交光栅的矢量振动传感器。掌握了多包层光纤内包层模式激发机理、光纤光栅模式耦合机理及其振动响应特性；掌握了光纤内包层正交光栅优化写制技术，制作出了高信噪比、窄带宽光谱输出的高品质新型光纤光栅；提取了正交光栅激励的包层模能量独立响应垂直分量的振动激励，并通过矢量合成，实现二维振动方向检测。课题组经过三年的研究，完成了各项任务要求，为深层微弱地震波采集提供一种灵敏度高、方向可识别、复用能力强的光纤振动传感器技术。解决了传感器结构优化与制作、二维振动信息获取、传感器复用等关键科学和技术问题，形成了一种具有自主知识产权的检测灵敏度高、方向可识别、频带宽、复用能力强的光纤二维矢量振动传感器技术。.（1）理论研究并分析了多包层光纤内包层模式激发机理、光纤光栅多模式耦合机理及其振动响应特征等；利用有限元分析方法构建了多包层光纤模型，数值模拟了多包层光纤中低阶包层模式电场分量分布及其模场强度随光纤弯曲的变化情况等。.（2）搭建了一套完备的飞秒激光包层光纤光栅刻写系统。通过不断改进和完善光纤内包层正交光栅写制技术，结合四维精密电动位移台，制作出高信噪比、窄带宽光谱输出的高品质包层光纤光栅。.（3）研制了系列高性能基于光纤内包层正交光栅的矢量振动传感器。包括.小芯径FBG加速度计、包层型FBG加速度计、双包层FBG加速度计、正交包层FBG矢量加速度计、离轴包层型FBG矢量弯曲传感器、正交包层FBG、振动信号解调系统，通过提取正交光栅包层模能量对垂直分量振动激励的独立响应，结合矢量合成，实现对二维振动方向的检测。在此基础上预研了基于光声功能材料（Au和Co3O4纳米片阵列）的激光超声地震物理模型成像系统，可以为地震反演提供可靠的实验模拟数据。.（4）搭建了适用于包层FBGs振动加速度信号解调的光学系统。该系统在采集频率、灵敏度、噪声抑制等方面均达到了既定目标要求。.（5）项目执行过程中，共发表SCI论文15篇；申请国家发明专利6项，其中授权1项；培养研究生5名。