包层型光纤光栅测斜技术研究

The sensing stability and angular resolution are the key problem for the fiber clinometer research. The project proposes a novel fiber cladding grating clinometer as the solution. The research in this project includes building theoretical model for the cladding mode coupling and propagation, analyzing the response mechanism of cladding mode, improving its sensing characters of angular resolution, and utilizing the vector analysis method and cladding mode response to accomplish the measurement. The integration of multi-component sensor is also studied, which can significantly improve the sensing performance of the proposed clinometer. The project aims to achieve a stable, highly-integrated and highly-angular-resolution fiber based inclinometer with by addressing the fiber cladding grating fabrication, assembling the sensor integration and establishing the sensing system. The project has not only great research significance for the development of fiber sensor, but also the important scientific significance for the clinometer technology and geologic hazard forcasting.

本项目针对目前光纤测斜仪稳定性和角度分辨能力的技术问题，提出基于包层型光纤光栅的测斜仪研究。建立包层光纤光栅模式耦合、传输机制的理论模型，分析光纤包层模响应弯曲作用的传感机理，改善包层模对光纤弯曲角度的分辨能力，通过矢量分析方法结合包层模响应结果实现测斜。同时通过多光栅刻写实现高集成化的多分量传感结构，大幅度提高测斜仪响应能力和角度分辨率。本项目拟解决包层型光纤光栅制备、传感器集成化配置、测斜幅度和角度分析系统搭建等关键科学技术问题，实现一种具有自主知识产权的高稳定性、高集成化、高角度分辨率的光纤测斜技术。本项目不仅对于光纤传感器件发展有着重要的研究意义，而且对于推动我国测斜技术发展、提升地质灾害预测技术水平都具有十分重要的科学意义。

随着我国工业化进程的发展，环境开发、工程活动所引发的山体滑坡、地面沉降等问题频发，灾害严重程度仅次于地震和海啸，威胁着人民的生命财产安全，同时也严重影响着公路、铁路、建筑和矿产等行业工作的正常运作。缓慢的地质结构恶化，是导致以上问题的主要因素。因此需要稳定、可靠的测斜装置实现长期的地质结构监测，才能够减少灾害的发生。本项目以此为应用背景，对包层型光纤光栅测斜仪进行了研究。课题组经过三年的研究，完成了各项任务要求，不仅实现了微型化、集成化的传感结构，改善测斜仪与地质结构间的耦合能力，还实现了高分辨率、高稳定性的传感性能，提高测斜仪对地质结构形态变化的响应能力，优化测斜仪对灾害信息的预测准确性，形成一种具有自主知识产权的稳定性强、响应速度快、方向分辨率高的光纤测斜传感技术。（1）建立了完善的包层型光纤光栅理论模型，充分分析传输光能量在纤芯至包层间的高效耦合方法和稳定传输机制；（2）掌握了基于飞秒激光显微加工系统的高品质包层型光纤光栅的刻写工艺；（3）实现了多空间分量包层型光纤光栅的协同响应，可以高效获得位移幅度与角度的测斜结果；（4）搭建了基于空间衍射光栅的全光纤光谱分析系统，可以实现多光栅复杂反射光谱的实时监测；（5）项目执行期内，累计发表9篇SCI论文，申请国家发明专利1项，国际会议口头汇报1次，国内会议口头汇报1次。