新一代光纤智能传感网与关键器件基础研究Word格式文档下载.docx

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[4]光纤智能传感网优化及其应用理论

研究光纤智能传感网异构拓扑结构，探索智能传感网的实时自诊断、自愈、波段动态分配和评估联动报警，并从传感网络和传感应用对象两个方面探索实用、可靠、稳定的光纤传感网关键技术。

主要研究内容包括：

围绕着拟解决的关键科学问题，根据本项目的研究思路，拟开展三类共六个方面的研究。

第一类研究内容涉及微结构光纤传感器件的机理研究，包括光子晶体光纤传感器的结构、工艺及传感机理，生物化学光纤传感器的理论与机理，旨在系统解决新型光纤传感器的制备问题；

第二类研究内容涉及光纤连续分布式传感的机理研究，包括光纤拉曼散射效应和布里渊散射效应的融合，光源的调制解调方法，传感信号的时域分析方法，以及基于宽带光源的连续光纤扰动及定位传感，旨在解决长距离、连续分布、多参数、高空间分辨率、高精度传感的机制问题，突破分布式光纤传感的极限瓶颈；

第三类研究内容涉及光纤智能传感网及其应用的基本科学问题，包括光纤智能传感网的新型光源、高速解调、自诊断、自愈、光谱波段的实时动态分配，评估系统联动报警等，以及传感网应用的适用性、可靠性分析等问题，旨在构建新一代光纤智能传感网。

[1]新型光子晶体光纤传感器的基础研究

基于局部表面等离子体共振效应（LSPR）、表面增强拉曼效应（SERS）以及倏逝波的光子晶体光纤传感器新机理研究；

利用矩阵传输法分析热压模法成栅机理，建立热压模成栅法光子晶体光纤光栅的数学模型，研究光子晶体光纤的芯径、包层气孔结构、光栅周期、塌缩深度等参数对光子晶体光纤光栅的谐振波长、透射/反射峰深度、色散等传输特性的影响；

优化完善光子晶体光纤成栅技术和工艺流程；

研究光子晶体光纤空气孔结构在电弧放电条件下的重构特性；

建立光子晶体光纤非线性效应模型，研究光子晶体光纤的材料和结构对拉曼散射和布里渊散射的影响。

将液晶和金属纳米颗粒分别置入空心光子晶体光纤中心孔和实芯光子晶体光纤包层孔内，研究空气孔掺杂液晶材料和纳米颗粒对光子晶体光纤的作用机理，建立掺入液晶材料和纳米颗粒后的光子晶体光纤传感理论。

探索在光子晶体光纤中加激活介质，研究泵浦新方式，实现有源传感。

[2]基于光微流体理论的生物化学光纤传感器的基础研究

研究偏离理想结构的光子晶体光纤的传输特性，探索容错结构设计；

研究微流体流速和光子晶体光纤截面形状对分子与光子之间相互作用程度的影响，提出最优化结构；

研究光微流体传感中生物分析试剂在微管中管壁的键合机理及多点键合方法；

构建以微毛细管为基础的光微流体生物传感器，研究基于光纤光栅的光微流体传感复用理论，进行多通道光微流体生物传感器的信号解调方法探究；

建立基于激光谐振腔结构的化学传感器中分子与光波作用的机制模型，研究谐振腔结构对气体传感的影响，研究光谱噪声对气体吸收谱线采集及提取的影响，探索增强传感灵敏度的途径，研究确定性单一气体的快速浓度传感方法，研究混合气体的主动识别方法，探索不同种类气体同时实现浓度传感的检测机制；

研究空芯光子晶体光纤高灵敏度气体传感的机理。

[3]基于布里渊效应的光纤传感网基础研究

基于布里渊光纤传感机理，建立布里渊散射信号强度与光纤的结构、成分以及掺杂之间相互作用的机理模型，研制具有强布里渊散射信号的传感光纤；

研究序列脉冲在光纤中的传播特性，探讨新型探测脉冲序列码型相关特性及编码方法；

研究探测信号光的频率上转换特性、光子计数布里渊信号检测方法、实时频谱分析理论与技术、温度和应力交叉敏感特性及机理；

设计基于光纤传感网络的远端数据采集系统，构建集传感与通信于一体的复合光纤传感网络。

[4]基于非线性光学效应融合原理的光纤拉曼传感网基础研究

将光纤中产生的拉曼散射和布里渊散射两种非线性效应融合起来发展一种新型本征型分式散射光子传感器；

基于光纤拉曼散射光子与光纤布里渊散射光子的光谱特征和光纤波分复用原理，在系统中融合两个不同波长的宽带光源和窄线宽光源，通过对布里渊散射线的频移检测和拉曼散射光子强度比的检测实现应变和温度的同时测量；

在光纤中脉冲光信号拉曼放大效应研究的基础上，将受激拉曼散射放大效应与光纤中产生的拉曼散射非线性效应融合起来，采用负噪声因子的分布式拉曼增益来抵偿光纤的散射损耗，发展一种新型的长距离分布式光纤拉曼散射光子温度传感器；

将受激拉曼散射放大效应与光纤中产生的布里渊散射非线性效应融合起来，采用分布式光纤拉曼放大器取代布里渊光时域分析器中的布里渊放大器，应用于分布式光纤布里分析器；

采用光纤的非线性相位调制效应来抑制光脉冲在光纤中由于色散引起的脉冲展宽效应。

[5]基于宽光谱动态干涉效应的分布式光纤扰动及定位传感网基础研究

在分析光纤的弹光效应基础上，采用普通单模光纤作为传感光纤实现对扰动信息的传递和提取，通过宽光谱干涉的方法实现扰动信息再现，分析扰动信息的频谱得到扰动位置；

通过相位载波复用干涉光路技术实现多条线路同时监测；

利用获得的扰动信息建立数据库，最后得到扰动信息的类型和报警级别。

在分布式传感方面，研发对于温度变化不敏感的干涉技术，研发模式识别技术，研发全新的封装技术。

在非接触扰动传感方面，解决工作距离不固定等因素引起激光束发射到接收过程中利用率不高的问题，解决系统干涉不稳定的问题。

进行地质灾害预警的可行性研究工作，利用现有的光纤通信网络，探测、识别大区域的地质波振动信号，包括系统主机与现有通讯基站设备的兼容和集成、信号传递的路由方法、地质信号与预警信息的阈值设定等。

[6]光纤智能传感网实验平台关键技术及其应用的基础研究

建立分立式和连续分布式光纤智能传感网实验平台。

其关键技术基础研究包括：

光源的光谱数字化技术、多种传感器的光谱取样与高速解调技术、波分复用及时分复用组网技术和信息智能传输技术等基础研究。

研究适合于智能光纤传感网的新型梳状暗调谐光源、多种传感器的光谱取样与高速解调技术。

建立光纤智能传感网理论模型，对传感需求进行建模，模拟优化设计网络异构拓扑结构，合理分配网络资源。

研究光纤传感网的智能关键技术，包括分配网络专用的开销波段，对整个传感网进行实时自寻径、自检、自诊断；

通过波长变换原理实现自愈；

按传感需求实现光谱波段的实时动态分配；

并通过智能网的评估系统实现联动报警。

应用的基础研究包括：

建立特征提取、数据融合、指标敏感性分析理论和模式识别理论，从另一个角度解决其适用性、稳定性和可靠性内容问题。

包括，研究有领域背景约束条件下的分布式光纤传感器的优化设计理论，探索提高监测效率的有效途径；

研究网络化监测信息的特征提取技术，探索降低网络通讯容量压力和提高传输效率的方案；

研究基于领域知识和网络化的特征层的数据融合理论；

研究指标敏感性分析创新理论和基于分布式场信息的模式识别创新理论，真正实现对待测对象的深度、可解释的智能化监测、预警和诊断。

二、预期目标

本项目的总体目标：

按照国家需求，顺应光纤传感理论和技术的发展趋势，围绕着新型光纤传感器件、非线性效应本征传感、光纤扰动以及光纤智能传感网等关键技术，深入研究并解决若干重大基础科学问题，为实现新一代光纤智能传感技术的应用开辟道路，以期确立我国在光纤传感领域国际竞争中的优势地位，为解决国家重大需求奠定坚实基础，增强我国在信息领域的科技实力，推动我国国民经济的快速可持续发展。

五年预期目标:

基础理论研究目标

[1]实现基于局部表面等离子体共振效应（LSPR）、表面增强拉曼效应（SERS）以及倏逝波的光子晶体光纤传感；

建立热压模法成栅理论模型，突破目前制作工艺中常见缺陷对光子晶体光纤光栅性能提高的制约；

阐明光子晶体光纤光栅的非线性、传输特性和传感机理；

建立光子晶体光纤掺入纳米颗粒和液晶材料后的传感模型；

实现在光子晶体光纤中加激活介质的有源传感；

获得多种类、多参数、多功能、高灵敏度、宽适用范围的新型光子晶体光纤传感器；

[2]建立光微流体传感器的理论模型，阐明基于微毛细管的光微流体生物传感器微谐振腔谐振模式及其与光纤光栅的相互耦合作用微观机理，阐明气体分子与光波作用的传感检测机理，实现用于单一气体传感和混合气体传感的系列传感器；

[3]解决长距离、连续分布、双参数、高空间分辨率、高精度连续分布式光纤拉曼散射和布里渊光子传感器网络系统的瓶颈问题，探索连续分布式光纤传感器非线性光散射的融合机理，在光纤非线性光散射传感机理研究上有所突破。

技术基础研究目标

[4]实现基于光微流体的多通道生物传感和混合气体传感，灵敏度优于10ppm；

[5]突破非线性散射光子传感本征空间分辨率只有米量级的限制以及难以实时化的瓶颈，实现传感距离100km以上，空间分辨率0.05m，应变分辨率优于0.1με的连续分布式光纤温度与应变传感，并实现传感网络的远端数据采集和监测；

实现传感长度100km、测温精度0.5℃、空间分辨率1m的新型连续分布式光纤拉曼散射光子传感网络系统；

[6]完善基于单芯光纤的空间扰动传感机理研究，实现多点同时扰动的信号提取和空间定位，解决相位调制信号频谱分析定位技术中的精度等关键问题，构造3种新型全光纤连续扰动传感系统，分别应用于周界环境安全监控、管线监控和地质灾害预报，系统的最大监控范围300km以上，同时监控3路，定位精度50m；

[7]构建2个分别为光纤分立式光纤智能传感网和连续分布式光纤智能传感网实验平台，完成在线光谱取样的（现场）光谱检测仪样机一台（光谱扫描分辨率可达1pm），研制通道扫描检测系统样机一台，研制N路等差距可调延时器样机一台，完成适合智能光纤传感网的新型梳状暗调谐光源样机一台。

建立重大工程应用的可靠性理论模型，研究传感光路中光纤、光纤器件以及光纤连接（熔接）点的失效机理和可靠性模型，探索提高传感网可靠性、重复性、稳定性和实用性的有效途径，实现智能传感网实验平台的传感、自检、自愈和自报警演示。

优秀成果和人才培养目标

[8]在国内外学术刊物上发表学术论文200篇，其中三大检索占80%以上，申请国际、国内专利30项以上；

[9]建没好一支高水平的科技团队，鼓励学术创新，争取新增杰出青年人才3~4人，省市级以上优秀人才6~7人，培养博士后20人、博士生30~35人；

[10]申报省部级科技成果奖3~5项，申报国家级科技成果奖1~2项；

开展国际合作交流，促使研究水平在国际上处于领先地位。

三、研究方案

1）学术思路：

根据国家需求，围绕着拟解决的关键科学问题，本项目从结构、器件、技术和传感网四个方面开展光纤传感理论与技术研究。

首先，探索基于微结构的新一代光纤传感器件的传感机理，研究光子晶体光纤传感器和生物化学光纤传感器；

同时，研究光纤非线性效应及连续分布式传感的机理，突破分布式光纤传感的极限瓶颈；

同时，研究基于宽光谱动态干涉效应的分布式光纤扰动及定位传感。

然后，基于新一代微结构光纤传感器构建分立式光纤智能传感网，基于连续分布式光纤传感方法构建连续分布式光纤智能传感网。

最后，基于这两个光纤智能传感网实验平台进行理论和方法验证，进行适用性、可靠性、稳定性和重复性分析，探索光纤传感网的智能感知特性。

2）技术途径：

[1]新型光子晶体光纤传感器的基础研究

研究基于局部表面等离子体共振效应（LSPR）、表面增强拉曼效应（SERS）以及倏逝波的光子晶体光纤传感器新机理；

利用矩阵传输法建立热压模法光子晶体光栅理论模型，设计热压模法成栅装置；

建立掺入纳米颗粒和液晶材料后的光子晶体光纤理论模型；

研究基于局部表面等离子体共振（LSPR）效应的传感新机理，分别就不同纳米材料以及颗粒的形状和尺寸进行理论计算，设计基于纳米材料的高灵敏度LSPR光子晶体光纤传感器。

在实芯光子晶体光纤纤芯和包层气孔之间设计4个大气孔，把金属纳米颗粒置入空气孔中，能够适应更宽范围的激励光波长，通过优化设计可以使更多的光能量分布在4个大气孔中，提高光的利用率。

实芯光子晶体光纤传感器结构示意

分析纳米材料的表面增强拉曼散射效应的传感新机理，研究基于表面增强拉曼效应（SERS）的纳米光子晶体光纤传感器，设计具有SERS活性的光子晶体光纤探针，探索纳升量级微量液体检测的方法。

空芯光子晶体光纤传感器结构示意

利用矩阵传输法建立热压模法光子晶体光栅理论模型，建立热压模成栅法光子晶体光栅数学模型，寻找光纤芯径、包层气孔结构、光栅周期、塌缩深度等参数与所成光栅谐振波长、透射/反射峰深度、色散等传输特性之间的关系。

设计如图所示的热压模法成栅工艺。

由热源对光子晶体光纤进行加热，拟采用电加热方式，将包括模具在内的整个系统都放置在一个密闭保温罩中。

控制加热时间使光子晶体光纤接近熔融时，停止加热；

由两块半圆形模具包裹光子晶体光纤并施加一定压力，此时光子晶体光纤中的气孔将按照模具的形状发生塌缩，从而使包层的有效折射率发生改变（类似于热激法），这种沿纵向的周期性折射率改变即可形成光栅。

热压模法成栅工艺原理

研究填充液晶材料光子晶体光纤传感器的传感机理，分析光控液晶分子取向及其光子晶体带隙可调原理，研究不同的液晶材料及其不同分子排列光子晶体光纤传感器的传感机理，以及液晶光子晶体光纤空气孔排列对光子晶体传感性能的影响。

利用偏光干涉理论分析液晶的电控双折射效应在光子晶体光纤中的传感机理，计算填充液晶前后光子晶体光纤带隙变化情况，设计基于电控双折射的液晶光子晶体光纤传感器。

探索在光子晶体光纤中添加激活介质，研究泵浦新方式，实现有源传感；

完善光子晶体光纤传感器的工艺流程，研制光子晶体光纤光栅和其它光学晶体光纤传感器。

[2]基于光微流体理论的生物化学光纤传感器的基础研究

采用基于超格子的全矢量模型，分析包层空气孔的椭圆率、归一化面积以及中心孔径等结构参数对光子晶体光纤的偏振特性、色散特性以及模式特性的影响。

针对空气孔变形及位错等典型的制作缺陷，移植Compact-FDTD理论模型，研究容错能力强且用于光微流体检测的光子晶体光纤微结构。

进行微毛细管的WGM谐振效应理论分析，建立光微流体生物传感器的体传感和表面传感理论模型。

光微流体生物传感器的波分复用将采用下图结构形式。

系统采用宽带光源输入，波导传感耦合通道完成波长选择性耦合激发光微流生物传感器的WGM模，同时收集携带谐振信息的信号光。

光微流体生物传感器示意图

利用时域耦合模理论研究波导传感耦合通道中的光栅与光微流体生物传感器谐振腔的相互耦合作用。

光纤光栅使正向传输和反向传输存在耦合作用，在微毛细管中同时激发起顺时针和逆时针谐振模。

通过理论分析结果设计选择合适的光纤光栅参数如折射率调制深度，光栅长度以及光纤光栅与谐振腔的间隙等参数，使光栅在作为波长选择器件的同时，进一步利用光栅谐振加强该波长的消逝场耦合强度。

然后采用向量、宽角度、双向BPM算法和时域有限差分方法进行进一步精确的定量仿真分析，以便有效控制光纤光栅与光微流体谐振腔的相互作用，达到最佳耦合谐振，使与光纤光栅中心波长相近的光微流体谐振腔谐振模得到大为加强，克服因光微流体传感器的微谐振腔阵列间存在的阴影效应，实现波分复用。

研究基于激光谐振微腔的气体传感机制，深入探讨气体分子与光子之间相互作用机理，依据两者的微观作用方式建立气体传感理论模型。

研究并探索激光谐振微腔结构以及系统噪声对气体传感灵敏度的影响，提出灵敏度增强机制。

设计并实现激光谐振微腔结构，完成基于C-lens透镜的气室设计，同时研究微量气体输送机制。

研究确定性单一气体的快速浓度传感方法和混合气体的主动识别方法，探索不同种类气体同时实现浓度传感的检测机制。

[3]基于布里渊效应的光纤传感网基础研究

所设计的基于布里渊散射效应连续分布式光纤传感系统如下图所示：

基于布里渊散射效应的光纤传感系统示意图

本子课题将基于布里渊散射效应光纤传感机理，研究SBS效应以及SBS频率失谐灵敏度与掺杂、结构以及外界环境的关系，构建布里渊散射信号与光纤的结构、成分以及掺杂之间相互作用的机理模型，并根据该机理模型，通过对光纤进行掺杂、结构设计等方法，拉制出高非线性效应的传感光纤。

研究序列脉冲在光纤中的传播特性，建立序列脉冲的调制不稳定增益谱与序列脉冲的峰值功率、码元宽度、码长及码元结构之间关系的理论模型，基于小码重比约束CPPD理论构造正交脉冲序列码，使脉冲序列码在避免传感光纤非线性效应的同时，具有优良的自相关特性。

这种新颖脉冲序列码的实现，将在不降低系统空间分辨率的前提下大幅度提高系统的动态范围，为研制超长距离BOTDR传感系统提供设计基础。

研究基于光子计数的信号检测方法，以此来增强系统对微弱信号的探测能力，提高系统的信噪比。

通过理论模拟计算和实验，探讨光子计数器灵敏度和暗计数率与偏置电压、温度等因素的关系，优化探测器的结构、偏置电压和工作温度，进而获得高信噪比的微弱信号探测。

利用非线性效应对信号光进行频率上转换，使其波长由1550nm转变到700nm波段，以使用具有更高转换效率的Si-APD探测器，增加对信号光的增益，从而有效增加系统的信噪比。

同时工作在短波长附近的探测器也具有更小的暗电流，通过对信号光的频率上转换也可以减小探测器的测量误差。

采用实时频谱分析技术，在同一时刻采集包含整个布里渊频谱信息的时域数据，结合基于硬件的短时傅立叶变换，实现对布里渊信号的全频谱实时分析。

通过研究基于调制脉冲序列的背向布里渊散射谱细分算法、基于等效脉冲光的多洛仑兹谱迭代拟合方法，将等效脉冲光产生的背向布里渊散射谱细分并根据等效脉冲光来求得各个细分单元的功率权重的方法，据此对背向布里渊散射谱进行多洛仑兹谱迭代拟合，求解每个细分单元洛仑兹谱的中心频率，从而得到它们对应的微小长度上的应变和温度信息。

基于本征型分布式光纤传感技术的独特优势，构建集传感与通信于一体的复合光纤传感网络，并将信息传输网络的成熟技术植入传感网络，进行光纤传感网与无线网、互联网的接入和融合研究，建立结点状态的快速反馈机制，以达到实时、高速、高可靠性、高稳定性、多参量传感、可扩展的网络化和智能化传感。

[4]基于非线性光学效应融合原理的光纤拉曼传感网基础研究

在一根几十公里长传感用的普通光纤上，采用拉曼散射与布里渊散射的融合传感机理、波分复用原理和光时域反射（OTDR）原理，利用宽光谱的拉曼散射强度比测量光纤上每段的温度，利用窄光谱的布里渊散射线的谱移测量光纤上每段的应变和温度，通过解调，实现对每段光纤温度和应变的同时测量。

在系统中采用受激拉曼放大效应来抑制光纤传输的损耗，在系统中通过集成拉曼放大器（拉曼放大的泵浦激光经波分复用耦合器WDM进入传感光纤），克服光纤的传输损耗，增强光纤中背向的拉曼散射光和布里渊散射光的强度，提高系统的信噪比，增长传感距离，提高测量精度。

系统示意方框图

在系统中采用分布式光纤拉曼放大器来抑制光纤传输的损耗，增强光纤中背向的拉曼散射光和布里渊散射光的强度，提高系统的信噪比，增长传感距离，提高测量精度。

[5]基于宽光谱动态干涉效应的分布式光纤扰动及定位传感网基础研究

通过分析新的宽光谱干涉方法，构造新的干涉光路，能够将传感光纤在大范围内感知到的扰动信息以干涉相位的方式再现出来。

从基本物理机理上分析弹光效应，将目前光通信使用的普通光纤，作为对扰动敏感的传感介质使用。

利用宽光谱动态干涉的方法，对扰动信号进行线性传感。

最后，也是最重要的，提出利用相位的频谱特性获取空间位置信息的方法，该方法能够实现单芯光纤的传感定位功能，具体描述如下：

考虑监控光缆上一个扰动点D，如下图1所示。

通过构造干涉光路，形成干涉的两路光会携带扰动点的相位信息，通过相位解调可将扰动信息如实还原。

由于干涉光路来回两次通过扰动点，所获取的扰动信息实际上是叠加后形成的合扰动信息，其频率特性与扰动位置密切相关。

干扰源D的位置

分析形成干涉的两路光，存在干涉时间上的差异，由于两束相干光都经过了两次调制，前者在

、

时刻，后者在

时刻,

是两束光先后经过扰动点的时间差。

我们对干涉后得到扰动源的振动信息进行频谱分析，可以得到扰动点的位置（用

表示）与特征频率

密切对应：

通过相位解调可获得相位变化的时域信号，对其作傅立叶变换得到频域谱，通过找出缺损频率

，判定发生扰动的位置。

本课题与前述两个课题一样，基于本征型分布式光纤传感技术的独特优势，构建集传感与通信于一体的复合光纤传感网络，并将信息传输网络的成熟技术植入光纤传感网，进行光纤传感网与因特网、无线网的接入和融合研究，建立结点状态的快速反馈机制，以达到实时、高速、高可靠性、高稳定性、多参量传感、可扩展的网络化和智能化传感。

[6]光纤智能传感网实验平台关键技术及其应用的基础研究

（1）光纤智能传感网实验平台关键技术的基础研究

拟选定以光源的光谱数字化技术、适合智能的新型多功能光纤传感器技术、多制式调制解调新技术、波分复用及时分复用组网技术，以及信息智能传输技术作为平台开展光纤智能传感网的基础研究，并分别构建分立式光纤智能传感网和连续分布式光纤智能传感网实验平台。

光纤传感网

如图所示，光源与解调系统包含梳状光谱暗调谐光源和基于DSP嵌入式高速解调系统；

传感网是由多个二维智能传感子层构成的三维拓扑网，每层（二维）子传感网是一个独立的环路结构，它可以是星形、树形或者更复杂的网络结构；

波长变换交换机可以将主链路上的波长根据需要进行变换，动态地分配给不同的传感子系统并由传感子系统上的固定波长路由器接收，数据返回时由波长变换交换机根据需要进行波长变换或者直接交换到主链路中，由主链路上的调制解调系统进行评估、分析和处理。

子链路中的传感器由光子晶体光纤传感节点和光纤生物化学传感节点等多功能传感子系统组成。

子网进行多种子传感系统的融合、组网和切换。

对光纤传感网进行智能研究涉及到智能自愈，即当网络出现故障时，系统通过对传感数据的识别结果进行自动判断，并发出指令给波长变换交换机，重新对光谱编码，经路由器重新路由到另外一个备用路径中去，以保障系统正常运行。

光纤智能传感网自愈分为2个独立的层次，一是每个子层在接入主链路时由两侧进行接入，当一侧发生故障，将由光交换机交换到另一侧进行自愈；

二是在每个子层内，利用波长交换机进行光谱编码，由不同波长路径实现自愈功能。

如果某层的两侧接入链路均发生故障，还可以通过层之间的交叉互联实现自愈。

建立传感光路中光纤，光纤器件以及光纤连接（熔接）点的失效机理和可靠性模型，最终建立网络的可靠性模型，进行实际应用的稳定性分析，探索提高网络适用性的途径；

健全网络的软件体系结构，研究确保网络安全平稳运行的机制。

（2）光纤智能传感网应用基础研究

本项目在光纤智能传感网应用的基础研究方面