(2)课题组构建2台白光干涉测量传感通用信号处理系统样机，分别为低速100 Hz和高速200 kHz 版本。

一体化白光干涉测量系统是利用FPGA作为主控芯片，为实现白光干涉解调系统自主化设计的目标，课题组自行设计激光器驱动、数据采集与通信电路模块。用FPGA作为主控芯片，5路ADN8810作为电流源驱动激光器的前反射镜、后反射镜、相位、增益以及放大部分，单次全谱扫描 40 nm，涵盖1527 nm至1567 nm，波长扫描间隔为 8 pm (1GHz)，能够实现扫描频率为100 Hz的稳定输出.高速模数转换芯片AD9226将全光谱信息通过USB2.0模块上传到上位机，上位机可以进行多种自定义的解调算法进行解调，以满足不同传感器的不同解调需求。 将各模块与主控芯片设计在同一电路板中，从而提高系统的稳定性和精确度，适应高速信号处理要求。受限于ADN8810芯片的电流调制速度，基于5路ADN8810的激光器并行驱动模块最高可实现600 kHz 的波长切换频率。采用更高速的电流源以及数据采集和传输方案可以实现可编程激光干涉系统采样率的进一步提高。为了满足更高速度的动态测量的需求，例如局部放电超声信号的测量，课题组设计研制了可实现10 MHz 波长可编程调制的测量系统。该高速系统的结构与运行控制原理与上述四通道系统基本一致，主要的升级之处有：

(1) 采用更高速度的数模转换器实现左、右反射器电流和相位电流的控制，可有效实现10 MHz 离散波长可编程快速切换；

(2) FPGA芯片从Cyclone IV系列的EP4CE10F17C8N升级至EP4CE30F23C8N，具有更大的容量，更高的性能，支持更多的引脚；

(3) 为了适应高速数据采集需求，数据传输方案从USB 2.0 升级至USB 3.0，最高传输带宽为5.0 Gbps (500 MB/s)。

目前设计的高速系统可实现双通道空分复用，通过增加光电探测器和AD，易于实现通道数的扩展。此外，结合时分复用，波分复用等方案也可实现更高的测量通道。系统样机的实物图6如所示。

图2. (a) 自主整合100Hz全谱扫描白光干涉解调系统集成电路板设计；(b) 自主整合100Hz全谱扫描白光干涉解调系统实物图

图3. 高速双通道光纤可编程激光干涉系统 (a) 样机图片; (b) 激光器驱动和数据采集模块

(3)激光器频率调制的相移白光干涉术

近年来，随着快速白光干涉测量(WLI)算法和高速光谱仪的发展，基于光谱解调技术可以实现低精细法布里-珀罗传感器的高频绝对测量。绝对测量不仅可以实现更高的动态范围，还可以提供更多传感信息。但是，基于衍射光栅和电荷耦合器件(CCD)的高速光谱仪会增加系统成本。此外，受光谱采集速度的限制，它只能应用于相对低频的振动测量。基于可调谐激光器的WLI系统具有小型化，低成本和高分辨率的优点，已被广泛用于静态或准静态参数的测量。随着可调谐激光器的发展，频率调谐速度可以达到数百兆赫兹，在光纤传感领域具有广阔的应用前景。然而，它不适用于动态干涉测量。当低精细法布里-珀罗(F-P)腔的腔长在光谱采集过程中发生变化时，会发生类似多普勒现象，导致传统的扫描白光干涉术(WLI)失效。为了绝对解调动态低精细F-P传感器的腔长，提出了一种新型的激光频率调制相移白光干涉术(PS-WLI)。通过在每个扫描频率之后引入固定的相移，可以获得两个具有固定相位差的光谱。基于正交解调，可以解调出包含频率扫描和动态信号调制的相位结果。尽管所提出的PS-WLI系统的全频谱采集频率仅为50 Hz，但可以解调出0.5〜20 kHz的声振动信号。它结合了两步频率切换相移干涉术(PSI)和扫描WLI的优势，实现了高采样率的绝对F-P腔测量。我们通过数值模拟和实验验证了其有效性。该工作发表于Journal of Lightwave Technology。

图4. (a) 传统扫描白光干涉术频率调制示意图；(b) 提出的相移白光干涉术频率调制示意图；(c) 检测1 kHz 声信号时采集的相移光谱数据；(d) 解调的F-P腔长结果。

(4)光纤菱形光程差白光干涉式光纤陀螺应用于高频角振动测量

课题组提出了一种新型的白光干涉光纤陀螺仪(IFOG)方案，采用光纤菱形光路差(OPD)偏置结构与传感线圈进行互换，实现无相位调制器的旋转速率测量。构建了由4个(2×1)3dB单模光纤耦合器组成的OPD偏置结构，实现非对等OPD偏置。利用白光干涉解调来获取由于Sagnac相移而引起的OPD变化。可以得到绝对的线性输出。课题组制作了不利用相位调制器的菱形OPD偏置白光IFOG的原理样机。实验证明IFOG原型系统在检测旋转速率上实现了与OPD差值的线性输出。在此基础上，课题组引入了高性能波长扫描激光器和三波长正交解调技术来检测旋转速率和进行高频角振动测量。与常见的方法不同，课题组提出的方案是基于对单片MG-Y激光器的精确和快速调谐，通过波长切换选择三个波长进行高速萨格纳克相移解调，从而避免了传统三波长正交解调系统中三个光路之间的不平衡和干扰。实验结果表明，三波长正交解调技术在检测旋转率方面实现了线性输出(R2=0.999)，比例系数为0.076 rad/(°/s)。特别是，1~3kHz的正弦振动信号被菱形光路差分偏置IFOG成功解调。远远高于同样的2000米光纤线圈级IFOG的100-300Hz解调带宽。通过理论计算，它有可能测量高达40 kHz的高频角振动，该成果发表在《IEEE SENSORS JOURNAL》。

图5. 光纤菱形OPD偏压结构的制作。(a)将四个1×2耦合器中同名的光纤融合在一起，其中耦合器3的光纤比其他光纤长dμm。(b)熔合后的光纤菱形OPD偏置结构

(5)微型膜片式光纤端部FP压力传感器

为了克服膜片式非本征FP（DEFPI）型光纤传感器现有膜片装配技术的缺陷，课题组引入了氢氧催化键合的方法，提出了一种微型膜片式光纤端部FP压力传感器。氢氧催化键合技术作为一种具有高定位精度的固体胶合方式，现已广泛应用于天文领域，主要包括地表引力波探测器GEO600、Advanced LIGO和 Virgo以及天基引力波探测器LISA Pathfinder。其技术特点是在常温常压下，利用含有氢氧根离子的碱性溶液施加在需要键合的两个氧化物或可氧化物质（如二氧化硅、蓝宝石、硅和碳化硅）的表面上，促使与其接触的物质表面水解, 形成硅氧烷链，将两个表面连接在一起，最终形成相互纠缠的三维网状结构，为两表面结合提供足够的强度。该微型传感器以单模光纤-空芯光纤-硅膜片构成双光束干涉结构，仅利用电弧熔接和氢氧催化键合的方法实现了传感器整体的无聚合物装配，传感器结构如图8所示，该成果发表在《Optics Express》。

图6. 微型膜片式光纤端部FP压力传感器结构示意图，（a）传感器探针的结构，（b）粘合良好的传感器探针的俯视图，以及（c）传感器探针的侧视图

(6)光纤集成化气动三孔探针流速矢量检测技术

相较于气流流速标量而言，气流流速矢量往往包含更多信息。在现代航空发动机制造业中，空气压缩机或涡轮机等设备的研制与发展一直占据着举足轻重的地位。这种叶轮机械环境中速度场的大小和方向可能在一定的时间范围内呈现出重要的变化，检测这些参量的变化往往有助于解释其内部流场特性，有利于设备开发。然而，作为航空发动机的关键部件，叶轮机械内部工作环境恶劣，流场条件复杂，使得其在设计和制造过程中面临巨大挑战。气动多孔探针因成本低廉、重复性高和鲁棒性好而成为叶轮机械实验以及相关飞行测试的首选。针对叶轮机械环境中气流速度矢量测量及相关流动特性分析问题，课题组设计了基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)微加工技术微型压力传感阵列的矢量式光纤膜片式法布里-珀罗干涉(Diaphragm-based Fabry-Perot Interferometric, DFPI)气流传感器，与现代流体测试技术中的三孔探针集成装配，研制了光纤集成化气动三孔矢量探针。该传感器旨在缩小探针探头体积以减轻流场侵入扰动，同时使流场检测发生于探针前部，降低了气动能量损失，提高了检测精确性。鉴于叶轮机械环境气流常处于高速流动状态，利用自主研制的多通道白光干涉信号解调系统, 在亚音速自由射流风洞中开展了0.2~0.8 Ma(70.5~313.8 m/s)范围内探针的实验校准，并完成了对于高速气流流速矢量的同步测量及相关流动特性的分析，该成果发表在《iScience》。

图7. 光纤集成化气动三孔探针流速矢量检测技术 (a) 光纤集成化气动三孔探针结合多通道白光干涉信号解调系统；(b) 光纤集成化气动三孔探针结合多通道白光干涉信号解调系统；(c) 实验校准过程中速度矢量及流动特性分析；(d) 亚音速自由射流风洞中光纤集成化气动三孔探针气流场速度矢量检测

3、致谢

在此特别感谢国家自然科学基金委对该项目的大力资助（61727816）

成果展示（二）

1、 原理介绍

表面等离子体子共振(surface plasmon resonance,SPR)是一种物理光学现象。光在玻璃界面处发生全内反射时的倏逝波，可以引发金属表面的自由电子产生表面等离子波。在入射角或波长为某一适当值的条件下，表面等离子波与倏逝波的频率和波数相等，二者将发生共振，入射光被吸收，使反射光能量急剧下降，在反射光谱上出现共振峰(即反射强度最低值)。当紧靠在金属薄膜表面的介质折射率不同时，共振峰位置将不同。通过对SPR表面进行功能化修饰，可以简单快捷的监测DNA与蛋白质之间、蛋白质与蛋白质之间、药物与蛋白质之间、核酸与核酸之间、抗原与抗体之间、受体与配体之间等等生物分子之间的相互作用。SPR在生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、环境监测、毒品检测以及法医鉴定等领域具有广泛的应用需求。

SPR传感器示意图

2、 成果展示

（1）波长调制型SPR生物检测系统的仪器化

课题组研制了金银组合膜系波长调制SPR系统，对折射率检测的分辨率达到5.463×10^-5RIU。开展了系统仿真工作，对波长调制式光学SPR检测系统进行了优化设计：对系统关键部件如棱镜、金属薄膜厚度等进行选择，对样品流通池及进样装置的外部信号控制进行设计，实现系统的集成，采用Labview数据处理与采集软件，实现对光谱信号的实时分析和监测，完成系统样机的研制.传统的SPR传感器体积较大且结构较为复杂，设计构建成本较高；而课题组设计制作的便携式的低成本SPR传感仪器具有较大的小型化空间，具有结构稳定、成本低、噪声小、灵敏度高等优点。该工作发表在Plasmonics期刊上。

（2）角度调制型SPR生物检测系统的仪器化

本课题组设计的角度调制型SPR传感器采用似半圆棱镜结构，角度分辨率为0.00375°，系统分辨率达1.935×10^-5RIU。保证了测量的准确性和精确度以及探测器的角度精准控制。并成功搭建了角度检测型SPR传感仪器，成功实现了角度检测型SPR传感器的小型化。

（3）基于智能手机的光纤SPRi传感器

本课题组采用了智能手机作为检测平台，通过光纤作为传导和传感元件，应用了手机自身的高清摄像头作为探测设备，LED闪光灯作为光源和自主编写的安卓应用软件，我们实现了一种基于智能手机作为检测平台的图像式高灵敏度SPR生化传感器。相比以往的SPR生化传感器，我们提出的传感系统将所有探测设备集成在一个智能手机上，完全抛弃了繁琐的电路和各种光电探测器，光学元件也都由光纤和光纤传感元件组成，避免了精细的光路校准。灵敏度为1136%/RIU，ConA蛋白检测下线为47nM。

（4）毛细管光纤SPR传感器

课题组设计使用微毛细管作为感测元件制作新型自补偿SPR生物传感器。于法布里波罗模式对温度敏感，但对折射率不敏感，因此可用作温度补偿的参考信号。FBG的主要优点是响应时间更短，成本更低，精度更高，使用更方便。我们利用毛细管这一单一传感元件，同时实现多通道检测，同时又具有良好的温度补偿性能，该传感元件制作工艺简单，结构简单，价格低廉，可广泛应用于生化传感领域，该工作发表在Applied Optics期刊上。

（5）液晶填充式SPR温度传感器

课题组采用内部镀银的空心玻璃光纤，在镀银的空心玻璃光纤内部填充液晶。通过液晶对折射率的快速响应，实现光纤SPR传感器对温度的快速响应。内壁镀银式的液晶填充空心光纤SPR温度传感器，能够实现实时动态监测微小温度变化，适合长距离传输；采用特殊内壁镀银的技术工艺并将热致液晶填充入空心玻璃光纤，避免了实心光纤SPR传感器外部银层的氧化；采用光纤跳线传输信号，避免了棱镜耦合式SPR传感器的复杂结构，实现长距离抗干扰传输；通过液晶折射率对温度变化响应的特性，实现传感器对于温度的实时响应过程。该工作发表在Optic Express期刊上。

（6）光纤SPR传感器的生化检测

课题组通过用表面单分子层的硼酸对光纤传感器表面进行修饰，从而实现对糖类的选择性检测。在本实验中，通过设计可以发生B-N相互作用的分子体系，从而有效的降低了硼酸的Pka值，克服了普通硼酸分子只能够在碱性条件才能够对糖类进行有效检测的缺陷，实现了传感器在中性条件下的检测。检测线性范围在0.2mM-50mM，今后可以通过对硼酸分子结构继续进行改进，实现对葡萄糖特异性检测进而实现对糖尿病的诊断。改工作发表在Sensors &Actuators B：Chemical上。

3、 致谢

在此特别感谢国家自然科学基金委对该项目的大力资助（61137005，1147404）