利用高光谱成像和轻量级边缘人工智能技术区分龋齿和牙石

《Optics and Lasers in Engineering》：Discrimination of dental caries and calculus using hyperspectral imaging and lightweight edge artificial intelligence

光纤传感器通过准第三阶索尔-萨格拉克干涉仪结构实现高灵敏度（2.156 nm/°）和方向性扭转测量，验证了PMF长度差异与传感器灵敏度相关性，较传统单环结构提升15.33倍。

　　近年来，随着科技的不断发展，光纤传感器因其独特的性能优势在多个领域得到了广泛应用。与传统传感器相比，光纤传感器具备结构紧凑、使用灵活、信号频率范围宽、抗电磁干扰能力强以及成本较低等特点。特别是在生物医学检测、生物化学传感、工业应用和结构健康监测等场景中，光纤传感器已成为不可或缺的重要工具。在建筑领域，如桥梁、建筑物以及其他基础设施的安全监测中，扭转变形作为关键的机械参数，其检测精度和方向性对于保障结构安全具有重要意义。因此，研究能够实现高灵敏度和方向性测量的扭转变形传感器成为当前的热点。

传统的光纤传感框架在面对高精度和矢量测量需求时，往往存在一定的局限性。例如，常见的Sagnac干涉仪虽然在某些情况下表现出良好的性能，但在特定的扭转变形场景中，其灵敏度和方向性识别能力难以满足实际需求。为了克服这些限制，研究人员提出了多种新型光纤传感结构，以提升检测性能。其中，一些研究尝试利用干涉仪的结构特性，通过引入不对称的光路设计来实现方向性测量，同时结合其他技术手段，如光栅或特殊结构的光纤，以增强传感器的灵敏度。

例如，Cheng等人设计了一种双芯光纤，通过其结构的不对称性，在扭转变形作用下能够显著地表现出变形特征，从而实现了扭转变形方向的识别。该结构形成的Sagnac环在反方向（CCW）和顺方向（CW）分别具有不同的灵敏度，分别为129.49 pm/(rad/m)和34.38 pm/(rad/m)。Liu等人则提出了一种基于Mach-Zehnder干涉仪的扭转变形和温度传感器，其结构由七芯光纤夹在两个短单模光纤之间组成，能够实现较宽范围的扭转变形检测，同时具有较高的灵敏度。Li等人则研究了一种基于平行双Sagnac干涉环的高灵敏度扭转变形传感器，通过引入微结构光纤和 Vernier 效应，实现了更精确的检测能力。

尽管上述方法在一定程度上提升了扭转变形的检测性能，但在某些高精度、高灵敏度和矢量测量要求的特殊场景中，其效果仍显不足。为此，本文提出了一种基于准三阶Solc-Sagnac干涉仪的扭转变形传感器。该结构通过将两段长度相近的保偏光纤（PMF）以90°的快轴熔接角进行连接，实现了对扭转变形的高敏感度响应。通过理论推导和仿真分析，研究发现该结构的灵敏度与两段PMF的长度差成反比，并且在不同条件下，输出光谱中的干涉峰（即暗点）会随扭转变形和温度的变化而发生位移。

在实验部分，本文设计了三种不同类型的Solc-Sagnac干涉仪，分别验证了两段PMF长度差和PMF2长度对传感器灵敏度的影响。实验结果显示，该传感器在-300°至-230°的扭转变形范围内，能够实现高达2.156 nm/°（3.706 nm/(rad/m)）的灵敏度，这一数值是传统单环Sagnac干涉仪最高灵敏度（0.1406 nm/°）的15.33倍。此外，该传感器还能够实现扭转变形和温度的双参数测量，这得益于其设计中引入的系数矩阵。

通过对传统Sagnac干涉仪和本文提出的准三阶Solc-Sagnac干涉仪的比较，研究进一步验证了新型结构在扭转变形检测中的优越性。实验数据表明，新结构不仅在灵敏度上实现了显著提升，而且在方向性识别和多参数测量方面也表现出良好的性能。这种传感器的结构设计为未来的高精度、高灵敏度和方向性检测提供了新的思路和方法。

在原理分析方面，本文提出的准三阶Solc-Sagnac干涉仪的结构由3 dB耦合器和两段长度相近的PMF组成。当光从耦合器的一个输入端进入时，会分成两束光分别沿顺时针和逆时针方向传播。由于PMF具有双折射特性，这两束光在传播过程中会产生相位差，并在输出端发生干涉，形成干涉峰。当外部物理条件如扭转变形和温度发生变化时，干涉峰的位置会发生相应的变化，从而实现了对扭转变形和温度的检测。

在实验设置方面，本文采用了基于超连续谱光源（SCLS）和光谱分析仪（OSA）的测量系统。该系统能够提供宽范围的波长输出，并具备较高的分辨率，适用于高精度的干涉测量。通过调整光纤的熔接角度和长度，研究人员能够有效地控制干涉峰的响应特性，从而实现对扭转变形的高灵敏度检测。

本文的研究成果不仅为扭转变形检测提供了一种新的解决方案，也为光纤传感技术的发展提供了有益的参考。通过结合不同的结构设计和测量方法，研究人员能够进一步优化传感器的性能，使其在更广泛的场景中得到应用。这种传感器的高灵敏度和方向性识别能力，使其在建筑安全监测、航空航天等领域具有重要的应用价值。

此外，本文还讨论了传统Sagnac干涉仪在扭转变形检测中的局限性。传统方法通常受限于自由光谱范围（FSR），使得测量范围较为有限。而本文提出的准三阶Solc-Sagnac干涉仪通过引入不对称的光路结构，有效扩展了测量范围，并提高了检测精度。实验结果显示，该传感器在-300°至-230°的范围内能够实现较高的灵敏度，这一结果在实际应用中具有重要意义。

在实际应用中，这种传感器的结构设计可以用于多种场景，包括桥梁、建筑、航空航天等领域的安全监测。通过精确的扭转变形检测，研究人员能够及时发现结构的异常变化，从而采取相应的措施，防止潜在的安全隐患。同时，该传感器还能够实现温度的检测，这使得其在环境监测和温度敏感应用中也具有一定的优势。

综上所述，本文提出的准三阶Solc-Sagnac干涉仪在扭转变形检测中表现出优异的性能。通过实验验证，该传感器不仅具有较高的灵敏度，还能够实现方向性测量和双参数检测。这些特性使其在多个领域具有广泛的应用前景，为未来的光纤传感技术发展提供了新的方向。