Bishop标架螺旋多芯光纤三维位形重构方法研究

针对多芯光纤三维位型重构问题,提出了一种基于螺旋多芯光纤和Bishop标架的三维位形重构方法。分析了基于螺旋多芯光纤和Bishop标架的三维位形重构算法原理,实验采用了螺旋多芯光纤布拉格光栅(Fiber Bragg gating, FBG)阵列传感,通过光谱漂移计算各个纤芯的应变值,并根据节点截面应变关系模型实现了纤芯曲率和扭转角解算,最后,结合Bishop迭代计算得到光纤整体位形,实现了形状重构。进行了4种形状的重构实验,最大三维重构绝对误差为3.11mm。实验结果表明,基于Bishop-HMCF的形状重构方法能够实现三维位形重构,在柔性机构末端定位和导航上具有重要的研究意义与应用价值。     

雨滴碰击光缆后光纤应变相位调制分析

基于云动力学理论,分析了雨滴碰击光缆后径向应变导致光纤纤芯折射率及形状发生改变,使光纤内传输光相位受到调制的过程.建立了雨滴碰击光缆引起光纤内传输光相位调制的模型,获得了降雨强度与相位调制之间的关系.研制了雨滴碰击光缆相位调制实验室验证系统,对比了模拟降雨强度分别为3,5,7,10,15,18,22,30 mm/h时的实验测试与仿真结果,两者变化趋势一致,误差在9%以内.该模型可用于仿真获得不同降雨强度下雨滴碰击光缆引起的光相位调制,为进一步研究降雨对光纤振动传感系统性能的影响,优化光纤振动传感工程应用系统,提出可行的雨量补偿方案提供了理论参考.     

光纤光栅温度应变智能传感原理及增敏技术研究

文章分析了光纤光栅对温度和应变传感的响应机理，对光纤光栅的纤芯材料选择、光纤光栅的写入方法及封装方法等方面进行了综合评述，在此基础上讨论了实现光纤光栅对温度和应变传感增敏的基本原理和方法，介绍了长周期光纤光栅与光纤布拉格（Bragg)光栅融合测量和如何选用对温度和应变灵敏的纤芯材料，研究了超短脉冲激光直接写入法和如何选用热膨胀系数和弹性模量不同的特种聚合材料对光纤光栅进行封装处理。     

基于布里渊散射光时域分析的形状传感研究

搭建了基于布里渊散射光时域分析技术的应变测量系统,采用七芯光纤作为分布式形状传感器,通过测量七个纤芯在弯曲时的布里渊散射谱,验证了七芯光纤偏芯之间每两个对称芯所受应变值相等且互为相反数的特点。对比七芯光纤中间芯与偏芯的布里渊增益谱,测得偏芯在不同弯曲半径下的布里渊频移变化,得到偏芯在每个位置受到的应变值。利用并行传输标架形状重构算法对七芯光纤在曲率直径为0.112 m和0.052 m时的形状进行了重构,当曲率直径为0.112 m时,曲率重构误差为0.375%。     

面向地壳形变观测的超高分辨率光纤应变传感系统

高分辨率光纤应变传感系统是地球物理学中地壳微弱形变观测的有力工具.相比于传统的地壳应变观测技术,光纤应变传感器具有测量分辨率高、抗干扰能力强、尺寸小、可复用、易于安装布设等特性,在建立新型地壳形变监测网络中具有很大的应用潜力.本文围绕面向地壳形变观测的纳应变级分辨率光纤应变传感器技术,阐述了应变传感原理与实现超高测量分辨率的机理,并详细介绍了扫频探测、Pound-Drever-Hall解调技术、边带探测、双回路锁定传感、传感器时分复用等技术及相应的传感器系统实现方案,最后,给出了超高分辨率光纤传感器在现场观测的实验结果与分析.     

基于Bragg光纤光栅传感器的监测系统设计

设计了基于Bragg光纤光栅传感技术的监测系统,当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其他物理量发生变化时,光栅的周期或纤芯折射率将发生变化,从而使反射光的波长发生变化,通过测量反射光中心波长的变化,就可以获得待测物理量的变化情况.该系统利用薄膜滤波器完成对外界的分布式测量,采用光强度检测,能够实现无缝监测.     

浮空器柔性复合蒙皮形变光纤光栅传感实验研究

针对浮空器囊体形状的实时传感问题,研究了柔性复合蒙皮形变光纤传感方法。分析了柔性复合蒙皮形状传感原理与算法;制备了Vectran纤维(聚芳酯纤维)蒙皮试样,实验研究了柔性蒙皮的曲率变化与光纤光栅曲率传感器中心波长漂移量的关系,分析了坐标系变换的曲线重构算法在浮空器蒙皮材料应用下的精度。得出FBG曲率传感器中心波长的漂移量随蒙皮材料的曲率半径增大而增大,形变曲率半径在1～12m~(-1)范围内时,蒙皮形变传感重构误差小于4mm。研究结果表明:用光纤光栅传感方法可实现浮空器柔性蒙皮形变的传感和重构,在浮空器囊体形变监测中具有应用前景。     

双包层光纤折射率研究及纤芯结构优化设计

采用Matlab和Comsol建立单模光纤内激光传输模型,对双包层内光纤折射率和纤芯结构对光能量分布的影响进行了理论研究。系统分析了光纤芯径与数值孔径、归一化频率和功率填充因子的关系,依据得到的结果进一步采用多模物理耦合仿真方法对不同类型的单模双包层光纤纤芯的能量分布进行仿真,探索了不同折射率分布情况对纤芯能量分布的影响。计算和仿真结果表明:凹面折射率分布光纤的光斑模场面积最大,单位面积的功率分布最低。针对大功率光纤激光器的应用需求设计了工作波长为1.064 m、纤芯直径为10 m、凹面直径为8 m、数值孔径为0.12的单模凹面折射率双包层光纤,为提高光纤泵浦效率、降低纤芯的能量密度提供了思路。     

基于布里渊光时域反射仪的边坡监测光纤传感器结构

分布式布里渊光纤传感技术在边坡监测领域中有极大的应用潜力。坡体局部产生的大应变往往会超过光纤的承受能力导致光纤断裂,并且由于系统空间分辨率的限制,难以获得一个准确的测量结果。为适应边坡监测,开发了用于分布式布里渊光纤传感的光纤传感结构,通过管子和滑轮构成具有保护作用的往返式结构,在短距离上增加了传感光纤的长度,不仅扩展了光缆对局部变形的耐受度,同时也提高了应变监测准确度。设计对比校准实验,验证了其在空间分辨率为1 m时的性能,并在人工浅层边坡上进行现场监测实验,验证了其对滑坡监测的有效性。此外,由于光缆在改良装置的保护下不与外界接触,光缆的存活率显著提高。     

基于光频域反射仪的光纤分布式三维形状传感技术

光纤形状传感技术能够测量姿态、取向、径迹以及位置等三维空间信息,在精准介入医疗、变体飞行器以及连续体机器人等领域具有广泛应用前景。光频域反射仪具有高空间分辨率和分布式测量等特点,相较于光纤光栅的波分复用技术,在提高形状传感空间分辨率、形状重构精度以及传感长度等方面具有明显优势。在阐明光频域反射仪分布式应变传感原理的基础上,建立了弯曲形变与应变以及光纤瑞利散射光谱波长漂移之间的物理关系,同时构建了弯曲大小、弯曲方向以及挠率与空间曲线局域标架三个正交分量的数学关系,最后采用切向分量的线积分实现光纤三维形状重构。实验设计并制备了一种基于镍铬形状记忆合金丝与三根光纤束封装的形状传感器,其二维、三维形状末端的平均最大误差为传感器总长度的0.58%和3.45%。     

多纤芯弹性光网络中纤芯选择算法

针对多纤芯弹性光网络中业务的路径选择、纤芯选择和频谱分配问题进行了研究。建立了全局约束优化模型,设计了基于纤芯轮换选择的启发式算法及其改进算法。在改进算法中,根据不同的排序策略将业务排序;然后根据业务的源宿结点以及所选取的路径将业务划分到不同的业务集合中,在同一类业务集合中采用基于纤芯轮换的选择机制进行纤芯的选择;在选中的纤芯上采用首次命中法进行频谱分配。在两个网络中进行了仿真以验证所提出的算法的性能,仿真结果表明,所提出的算法以及改进的算法能够得到比对比算法更优的路径选择与纤芯选择方案。     

M型少模光纤中模间受激布里渊散射特性及其温度和应变传感特性

少模光纤的受激布里渊散射对于分布式温度/应变传感具有重要应用价值.本文提出一种纤芯折射率呈M型分布的少模光纤,详细研究了光学模式LP_(01)和LP_(11)模式内及模式间的布里渊增益谱.研究结果表明:LP_(01)-LP_(11)模式对的布里渊增益谱中,其相邻两个布里渊散射峰的频率间隔较宽、增益峰值较大且峰值相差较小.通过优化光纤结构参数,提高了基于LP_(01)-LP_(11)模式对布里渊增益谱的温度和应变传感性能,最小误差分别为0.23℃和5.67μe.该研究对探究少模光纤中模式内及模式间的受激布里渊散射特性具有一定的指导意义,对提升同时温度和应变传感测量的性能具有一定参考价值.     

简化的光纤光栅应变传感器光-力转换的时变方程

基于光纤光栅应变传感的基本原理以及粘弹性力学的基本理论,建立了一种简化的光纤光栅应变传感器光-力转换的时变方程。方程的建立忽略封装基体和纤芯的粘弹性力学行为,同时综合考虑观测环境-封装基体-粘结层(或涂层)-光纤纤芯之间的弹性和粘弹性力学耦合机制。所建立的方程既包含了传感器的所有几何特征参数和力学特征参数,又可大为简化光-力转换的时变分析过程,从而为光纤光栅应变传感应用于大型工程结构健康监测的长期性能评估(包括参数标定、信号校正、精度分析及误差估算)提供较为可靠、实用、简便的理论分析工具。     

三维磁共振电阻抗成像的改进分层灵敏度算法

针对人体组织电导率的三维成像问题,提出一种改进的分层灵敏度磁共振电阻抗重建算法.利用单方向磁感应强度信息,对三维电导率图像实行分层重建,每层重建仅利用该层磁通密度分量测量数据,然后对单层重建结果进行修正以获得三维电导率重建图像.三介质长方体模型上的仿真实验证明,改进的分层重建算法改善了层间串扰现象,可以获得比一般分层算法甚至整体算法更高的图像分辨率,而且重建时间较整体算法显著减少;基于人体腿模型的仿真实验表明该算法对复杂模型三维重构的可行性;最后通过仿体实验验证算法的重建效果.改进的分层灵敏度重建算法降低了灵敏度矩阵法的计算机硬件需求,减少了重建时间,对MREIT的三维重建具有较高的成像精度和求解效率.     

偏芯光纤弯曲特性分析

根据光纤传输理论建立了偏芯光纤理论计算模型.采用保角变换方法将偏芯光纤不对称的三层结构转换成同轴对称的三层结构,得到关于传播常量的特征方程,给出了偏芯光纤弯曲损耗公式.仿真分析了偏芯光纤弯曲损耗和弯曲半径之间的关系,结果表明当弯曲半径达到3mm时,弯曲损耗几乎为零,同时得到弯曲损耗随偏芯距离的变化关系.运用Rsoft软件中的BeamPROP模块建立偏芯光纤弯曲的光学模型,模拟仿真了弯曲的偏芯光纤中模场分布情况.仿真结果表明,偏芯光纤的弯曲方向与纤芯偏移中心轴线方向相同的弯曲损耗小于反方向的弯曲损耗.     

塑料光纤在裂缝监测中的性能

针对普通石英光纤质地较脆,应用在结构裂缝监测中易发生断裂的现象,本文运用塑料光纤代替普通石英光纤进行结构裂缝监测,并且考虑复合材料裂缝开裂方向的不确定性,对塑料光纤及其裂缝监测能力进行了研究.设计了一套塑料光纤传感装置,并通过裂缝模拟装置来研究塑料光纤分别与裂缝呈30°、45°、60°夹角时,光损耗与裂缝开度的关系.实验结果表明,随着裂缝的开展,光损耗逐渐增加;纤芯直径为0.5mm时最大光损耗幅值为78.76μW,而纤芯直径为0.25 mm时,最大光损耗幅值只有24.28μW,纤芯直径较大的光纤在微弯时易发生较大的光损耗.塑料光纤传感装置在结构裂缝监测中应用是可行性的,而且塑料光纤裂缝传感器的灵敏性随着方位角的增加而降低.     

基于分布式光纤Bragg光栅传感技术的光缆卷盘静态压力研究

基于对光缆卷盘缆层静态压力分布的理论分析, 建立了光缆缠绕体系中的受力理论模型. 研究表明, 随着缠绕层数的增加, 卷盘各层光缆所受压强先快速增大而后变化平缓. 采用分布式光纤Bragg光栅(FBG)对光缆绕线装置上缆层的静态压力进行了实时传感, 理论上给出了FBG的中心波长偏移量与体系压强的定量关系, 实验上发现各层FBG的中心波长随着光缆卷盘缠绕层数的增加先较快速变化而后趋于平缓, 理论模拟和实验测量结果符合得很好. 该技术解决了光缆绕线过程中无法对缆层所受压力进行实时监测的难题.     

光纤布拉格光栅嵌入SMS光纤结构的湿度传感器

提出了一种基于光纤布拉格光栅嵌入单模-多模纤芯-单模(single-mode-multimode fiber core-single mode, SMS)光纤结构的湿度传感器。当环境湿度变化时,SMS光纤结构的干涉光谱会发生漂移,而光纤布拉格光栅对湿度不敏感,其纤芯基模保持不变。因此利用SMS光纤结构对环境湿度的敏感性去调制光纤布拉格光栅纤芯基模,通过检测光纤布拉格光栅纤芯基模的反射能量变化就可以实现湿度测量。数值模拟了SMS光纤结构的内部光场分布规律,理论计算了不同环境折射率时,多模纤芯的长度、直径对SMS光纤结构输出能量耦合系数的影响。理论模拟表明,随着环境折射率变化,SMS光纤结构中传输的纤芯基模的输出能量耦合系数会发生变化。同时制作了传感器样品并对其进行了传感实验研究,实验结果表明多模纤芯长35 mm、纤芯直径为85 μm的传感器在45%～95%RH湿度变化范围内,湿度灵敏度为0.06 dBm·(%RH)-1。在20～80 ℃温度范围内,传感器的温度灵敏度为0.008 nm·℃-1,温度所带来的湿度测量误差为0.047%RH·℃-1。传感器具有制作简单、灵敏度高、反射式能量检测等优点,在湿度测量领域有一定的应用价值。     

基于光纤粗锥型马赫-曾德尔干涉仪的高灵敏度温度传感器的研制

光纤传感是现代光纤技术的重要应用之一。制作了一种基于两个单模光纤粗锥串接的全光纤型马赫-曾德尔高温高灵敏温度传感器。纤芯中传输的光通过第一个光纤锥耦合, 一部分进入纤芯传输,另一部分进入包层形成包层模,纤芯模和包层模具有不同的有效折射率,经过干涉臂的传输产生了光程差。纤芯和包层传输的光再经过第二个光纤锥耦合,形成干涉进入输出光纤传输。对不同长度的传感器进行实验研究,得出传感臂长度与干涉周期之间的关系。研究了传感器温度响应特性,给出了温度响应灵敏度。实验结果表明,在30～400 ℃温度范围内,长度为35 mm的传感器可以得到较高的温度响应灵敏度,其响应灵敏度为0.115 nm·℃-1。利用傅里叶变换对传感器透射谱进行了分析,可以确定在长度为35 mm的传感器中仅有基模LP₀₁和高阶模LP₀₈两种模式,透射谱就是由这两种模式干涉形成的。该传感器体积小、精度高、抗电磁干扰,具有易于制作、对比度大、质轻、灵敏度高、耐高温等优点。可用于高温气体温度测量及油气井测井等领域的高灵敏度温度传感测量。     

基于马赫曾德尔干涉原理的优化双锥结构应变温度同步传感

设计了一种基于光纤马赫曾德尔干涉仪的优化双凹锥结构。该结构通过单模光纤和保偏光纤之间使用不充分的电弧放电熔接制作而成,可以实现应变和温度的同步测量.凹锥中部的球形纤芯可以进一步地调控包层和纤芯中的光能量分布,经优化几何参数后的结构可以获得16 dB的干涉条纹消光比,大于相同参数下的双凹锥结构。传感实验表明所提出的结构在0～244.35με和25～50℃的范围内分别具有±1.616με和±0.79°C的高分辨率。由于交叉敏感导致两个参数的测量误差均小于1×10~(-3)%.这种结构为同时测量应变和温度提供了一种有效的方法,可应用于精密仪器测量中.