超长光纤布拉格光栅及分布式传感应用

Ultra-long fiber Bragg gratings (FBGs) have great research values and application prospects in the area of distributed sensing, and they are currently hot topics in the research field of fiber-optic sensing at abroad. However, nearly no research was carried out in China on the topics of ultra-long FBGs or their applications on distributed sensing. Therefore, in this project, we intend to study the ultra-long fiber Bragg gratings and their applications on distributed sensing, based on the preliminary study of the dual-beam interferometric FBG online writing system at Shenzhen University. The research contents include: building the writing-system for fabricating ultra-long FBGs, i.e. dual-UV-beam interferometric synchronous writing apparatus; design, fabrication, and testing of ultra-long FBG; research on the distributed wavelength demodulation technique for ultra-long FBGs, i.e. optical frequency domain reflectometry (OFDR) demodulation technique; experimental studies on distributed strain and temperature sensing based on the ultra-long FBGs. Finally, we expect to obtain high-quality ultra-long FBG samples with grating lengths of 1 m, and bandwidths of < 5 pm, and an OFDR distributed wavelength demodulation prototype with a spatial resolution of < 1 mm. This project is conducive to fill the gaps in the field of ultra-long FBGs and their applications on distributed sensing, and ultimately provides a kind of novel and applicable ultra-long fiber Bragg gratings and the corresponding distributed strain and temperature sensing systems.

超长光纤布拉格光栅（FBG）在分布式传感方面具有巨大的研究价值和应用前景，是当前国际上光纤传感领域的研究热点。然而，超长FBG及其分布式传感应用的研究在国内目前还基本处于空白。本项目拟在深圳大学双光束干涉在线写制FBG技术的前期研究基础之上，开展超长光纤布拉格光栅及分布式传感应用的研究，包括：搭建超长FBG的写制系统，即紫外双光束干涉条纹同步写入装置；研究超长FBG的设计、制作和测试；研究超长FBG的光频域反射（OFDR）解调技术；实验研究基于超长FBG的分布式应变和温度传感。最终研制出光栅长度1 m、带宽< 5 pm的高质量超长FBG样品和空间分辨率< 1 mm的OFDR分布式波长解调系统样机。本项目的研究有利于填补相关领域的空白，最终实现一种新颖的、并具有实用化前景的超长光纤布拉格光栅及相应的分布式应变和温度传感系统。

超长光纤布拉格光栅（FBG）在高空间分辨率分布式传感方面具有巨大的研究价值和应用前景，是当前国际上光纤传感领域的研究热点。本项目开展了超长FBG及分布式传感应用的研究，具体研究内容包括：（1）搭建了超长FBG写制系统，即紫外双光束干涉条纹同步写入装置，实现了紫外干涉条纹的相位调制及光纤的同步运动控制；（2）研究了超长FBG的设计、制备和测试，采用耦合模理论和传输矩阵法设计了超长光栅，搭建了基于可调谐激光器的超长FBG测试系统，深入研究了超长FBG的制备工艺和测试方法；（3）研究了超长FBG 的分布式波长解调技术，即光频域反射（OFDR）解调技术，优化了系统噪声和解调算法；（4）实验研究了基于超长FBG 的分布式应变传感技术和分布式应变温度传感技术。本项目通过对光纤光栅制备装置中的运动控制系统和相位调制系统进行了优化设计，解决了紫外双光束干涉条纹的高精度同步控制问题；通过优化超长光纤光栅的制备工艺，在普通的单模光纤中实现了超长、无啁啾、相位连续的一维弱折射率调制；基于OFDR技术和系统噪声抑制，实现了超长连续光纤光栅的分布式波长解调，同时具备了高空间分辨率（1 mm）和高波长分辨率（1 pm）。本项目最终研制出光栅长度为1 m、带宽< 5 pm 的高质量超长FBG和空间分辨率< 1 mm 的OFDR分布式波长解调系统。本项目发表学术论文28篇（其中，SCI收录国际期刊论文15篇，EI收录国际会议论文13篇）；申请中国发明专利5项（公布实审），授权实用新型专利7项；合作培养博士研究生1名、硕士研究生4名。本项目实现了一种新颖的、并具有实用化前景的超长光纤布拉格光栅及相应的分布式温度应变传感系统，有望在航空航天、精密机械、电力设备、医疗仪器等领域取得应用。.