用于结构安全监测的自适应光纤声发射传感系统关键技术研究

A major drawback of fiber Bragg grating (FBG) sensor technology is that today’s commercially available FBG acoustic emission (AE) sensor interrogation systems are bulky, heavy, and costly to be permanently installed in an operational platform. To address this shortcoming, in this program, we propose to design and build a compact, highly integrated and cost-effective fiber optic acoustic emission sensor demodulation system to extend the application of FBG acoustic emission sensor technology in the fields of military, aerospace industry, and civil infrastructure. The integrated optics microchip technology will be developed as an alternative to the volume optics design of the photorefractive two-wave-mixing interferometry demodulation device. The fiber optic AE signal demodulation integrated optics microchip system using photorefractive two-wave-mixing interferometry will be established. Then, the proposed system will be fully engineer and package for extensive testing and qualification on selected critical infrastructure platforms. This research will lay the theoretical and technological basis for global implementation of smart safety monitoring and control systems based on fiber Bragg grating technology.

为拓展光纤光栅声发射传感技术在民用基础设施、航空航天、国防军事等领域结构安全监测上的应用，克服目前光纤光栅声发射传感系统存在体积较大、成本较高等缺点，本项目提出一种结构紧凑、集成度较高、成本较低的结构安全监测光纤声发射传感系统，就空间光学的光折变双波混频干涉解调技术光子集成化和微型化的相关理论、方法和关键技术予以重点突破。通过对双波混频干涉法相关理论进行深入分析，对比研究不同光折变晶体中双波混频干涉法的自适应光纤声发射传感系统；发展双波混频光纤声发射传感微系统异构集成相关理论、模型构建与仿真；通过“激光直接写”构建双波混频干涉仪集成光学元件，实现光子集成自适应双波混频微系统对声发射事件的探测，并进一步评估该微系统在选定关键基础设施平台上进行结构安全监测的可行性。本项目研究将对基于光纤布拉格光栅技术的智能安全监测和控制系统的实际应用奠定理论和技术基础。

使用传感器网络可以持续性监控大面积结构件，并实时识别外来的撞击或声发射事件，对外来情况严重的撞击事件进行监测并警告。项目提出一种结构紧凑、集成度较高、成本较低的结构安全监测光纤声发射传感系统，重点突破空间光学的光折变双波混频干涉解调系统光子集成化和微型化的相关理论、方法和关键技术，并评估光纤声发射传感系统进行结构安全监测的可行性。一方面，项目基于空间光学上InP:Fe双波混频解调的实验研究，设计了单片集成式自适应双波混频光折变干涉仪。将传统双波混频解调系统中的各种光学元件集成在具有光折变特性的衬底材料中，并根据基于自由空间光路设计优化基于波导传播的光路。通过有限元分析验证所设计结构的可行性，所得到的最优化结构为基于InP:Fe的双波混频解调系统小型化打下基础。另一方面，项目提出一种基于半导体光放大器和光纤环形激光器的智能光纤动态应变传感系统，并采用自适应光折变双波混频技术进行解调，无需对准静态应变和温度进行任何主动补偿。研究结果表明，光纤环形激光传感系统对高频动态应变信号具有较高的灵敏度和良好的响应。由于双波混频干涉仪不仅能使透射信号光与衍射泵浦光波前自动匹配还能自适应外界环境所致的准静态漂移，因此，该技术可用于结构健康监测中光纤光栅传感器网络的动态应变解调。项目还对比研究了基于F-P标准具解调的环形光纤激光传感系统以及定位算法并用于声发射源定位，同样展示了良好的探测性能。项目还评价了各种声发射检测定位方法对于此光纤声发射系统的使用效果，并与传统压电传感器的结果进行比较，从而体现了该技术的核心优势，为关键结构安全监测的现场应用奠定了基础。相关研究成果已形成 25 篇学术论文分别发表在Applied Optics、Optics Communications、Optik、光学学报、仪器仪表学报等本领域重要期刊与 SPIE 国际会议上，同时申请国家发明专利2项，已授权1项。该课题的研究为用于结构安全监测的自适应光纤声发射传感系统的实际应用打下了基础，较好的完成了研究目标。