用粒子群优化算法设计光纤布拉格光栅

用粒子群优化(PSO)算法对二元相位取样光栅进行优化设计.实现了利用二元相位取样光栅对多信道色散和色散斜率的同时补偿.设计得到的二元相位取样光栅的反射谱各信道均匀,时延线性好,带宽、色散量和色散斜率可以根据实际的光纤类型来调整,对折射率调制要求较低.由于只有π相移,因此其制作比多级相位取样光栅相对简单.与其他优化方法相比,粒子群优化算法具有简单、收敛速度快等优点.     

基于粒子群算法的多通道光纤布拉格光栅滤波器优化设计

在多通道光纤布拉格光栅(FBG)滤波器的设计中,通道数目的增加会导致最大折射率调制深度的成倍增长,从而造成物理上的不可实现。为此,提出一种基于粒子群算法(PSO)与直接设计方法相结合的多通道FBG滤波器设计方法。该方法以最小化最大折射率调制深度为优化目标,在目标反射谱中引入一组群时延参数,为每个通道分配合适的群时延参数,建立群时延参数的优化模型。通过粒子群算法计算得到各通道群时延参数的优化分配值,提升折射率调制深度的均匀化分布程度,促使最大折射率调制深度降低到物理可实现的范围内。仿真实验结果表明设计的40通道数、106通道数的两种FBG滤波器的反射谱均匀性好,最大折射率调制深度均降到0.001以下。     

动态匹配光栅解调方法波长读出优化研究

提出了采用一支价格低廉的微测力传感器作为匹配光栅解调系统的波长读出单元,不同于以往动态匹配光栅解调法采用拉伸匹配光栅的PZT驱动电压作为解调系统波长读出单元.当匹配光栅和传感光栅布喇格中心波长重叠时,光电探测器将接收到最大光信号.利用光纤光栅轴向受力和反射波长漂移的数学关系得到光纤光栅传感器的波长漂移.该解调系统解决了传统动态匹配解调系统中PZT本身特性对系统的影响,探测到的光纤光栅传感器反射波长和匹配光栅轴向受力大小具有很好的线性,系统线性大于0.999.本系统对于探测布喇格传感器应变分辩率达到1 με以下.     

应用于亚波长角向偏振金属光栅设计的快速收敛粒子群算法优化

提出了分步寻优的基于粒子位置调整惯性权重的粒子群算法(PDW-PSO),通过调用严格耦合波方法(RCWA)计算衍射效率,进行了光栅结构参数的优化。将PDW-PSO与惯性权重不变的粒子群算法(PSO)和基于迭代次数调整惯性权重的粒子群算法(IDW-PSO)进行对比,结果表明PDW-PSO具有更快的收敛速度,相比于PSO和IDW-PSO,PDW-PSO的平均迭代次数分别从89.83和74减少至21.2,调用RCWA的次数分别从3144.05和2590下降至224。分析了波段匹配数对算法的影响, PSO和IDW-PSO的RCWA调用次数与波段匹配数呈等倍率增加,而PDW-PSO的RCWA调用次数的增加倍率小于波段匹配数的增加倍率。进行了算法准确度实验,在30次运行中,PDW-PSO与PSO、IDW-PSO正确收敛到最优值的次数相近,误差值不超过6.6%;随着粒子数的增加,三种方法的准确度都有所提高,粒子数达到27后基本都可以保证收敛到最优。     

新型波长解调技术在干涉型光纤传感器输出解调中的应用

提出了一种改进型边缘滤波波长解调技术,解决干涉型或谐振型光纤传感器输出的干涉谱波长的快速解调问题。该波长解调技术基于啁啾光栅和长周期光栅的光谱特点,以啁啾光栅作为矩形滤波器,提取传感器输出干涉谱的一个干涉峰;以长周期作为边缘滤波器,将干涉峰的波长信息转化为光强信息进行检测。该波长解调技术波长解调范围为传感器输出干涉谱的一个自由光谱范围(FSR),解调速度快,克服了当前波长解调技术中存在的测量范围与测量速度难以同时提高的问题,同时还具有系统成本低 ,体积小,能够灵活多路扩展的特点。详细介绍了解调系统的工作原理以及系统结构,并将其实际应用于一种干涉型光纤电流传感器输出干涉谱的波长解调中。通过实验证明电流传感器工作在工频及脉冲电流(脉冲宽度25 μs)情况下,该解调系统对传感器输出干涉谱具有准确、快速的解调效果。该研究对推进干涉或谐振型光纤传感器的实际工程化水平的提高具有重要意义。     

优化光纤光栅传感器匹配光栅解调方法的研究

利用悬臂梁调谐和两个并联二次反射匹配解调光栅的方法实现了光纤布喇格光栅(FBG)传感器的高精度大范围应变传感测量.通过并联方式,选择合适的匹配光栅波长,增大了可检测的应变范围,同时解决了双值问题.应变传感信号经两路解调光栅解调,并由数据采集卡采集后,由计算机进行两路并联信号的综合处理后获取更准确的结果,使得系统性能得到提升和优化.试验结果与理论分析一致.     

阵列波导光栅解调的准分布式光纤光栅传感器

从理论上和实验上研究了一种操作简单、响应速度快,价格低廉和高分辨率的基于阵列波导光栅(AWG)的准分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感器.该传感系统采用了阵列波导光栅双通道强度解调技术对光纤光栅的布拉格波长和温度进行精确的解调.实验结果表明,该系统对宽带宽光纤光栅的布拉格波长和温度解调均具有高线性度,考虑系统稳定性及光纤布拉格光栅之间的串扰影响,波长测量精度仍可达2 pm,温度测量精度优于0.2℃.     

光纤光栅传感器波长移位检测方法

光纤光栅波长移位检测是光纤光栅传感器的核心技术之一,已提出的光纤光栅波长移位检测方法有被动解调法、匹配光栅法、非平衡Mach-Zehnder干涉仪法、可调谐窄带光源法和激光锁模法等详细介绍了光纤布拉格光栅(FBG)传感器的波长移位检测方法,分析了各种检测方法原理.重点讨论了非平衡M-Z干涉仪法和可调谐窄带光源法,并对以上各种方法的优、缺点进行了分析和讨论.     

光纤光栅传感器的应用

在光纤传感领域，光纤光栅传感技术是十多年来发展最为迅速的技术之一，传感系统本身和应用领域均有了很大发展．文章介绍了光纤光栅的结构、性能以及传感的原理，回顾了光纤光栅传感器在地球动力学、航天器及船舶航运、民用工程结构、电力工业、医学、和化学传感中的应用．     

光纤光栅腐蚀传感器

提出了一种测量钢筋腐蚀的新型传感器.这种传感器将光纤光栅拉伸后固定在圆形钢筋的表面,在钢筋被腐蚀后,光纤光栅所受到的拉伸应变将被释放,光纤光栅的反射光波长发生变化,通过测量光纤光栅的波长就可以测得钢筋腐蚀程度.这种传感器测量准确度优于±0.1 μm,测量范围约12 μm,可用于混凝土结构中钢筋腐蚀的早期监测.     

Design of triangular FBG filter for sensor applications using covariance matrix adapted evolution algorithm

The design of triangular fiber Bragg grating (TFBG) filters using covariance matrix adapted evolution strategy (CMAES) algorithm is presented. The TFBG filter can be used as a readout device in FBG-based sensor applications. Two different filter design problems are investigated. The first problem is the design of TFBG filter for a specified bandwidth. The other is maximizing the bandwidth of the TFBG filter for a given grating length and maximum index modulation of the FBG. A more practical asymmetrical triangular FBG filter design is also considered. The results show that for the same grating length and maximum index modulation, a larger bandwidth can be achieved with a chirped grating. The maximized bandwidth design can be used to achieve the maximum possible bandwidth for the specified grating length, maximum index modulation and chirp rate. The results obtained using CMAES algorithm (codes available at http://www.ntu.edu.sg/home/epnsugan) is compared with the results of PSO and other algorithms. Comparisons show that the CMAES algorithm is more consistent in obtaining the best solution with reduced computation time. Hence, the CMAES algorithm is effective for the design of TFBG filters for sensor applications.     

一种基于光纤光栅法布里-珀罗腔的低频振动传感器

提出了一种基于光纤光栅法布里-珀罗(F-P)腔的低频振动传感方案并进行了理论分析和实验研究。采用单频激光器作为光源,光纤光栅F-P腔通过两点涂胶方式粘接在等强度悬臂梁上,待测振动信号通过支架和悬臂梁将振动作用传至光纤光栅F-P腔,引起腔长周期性变化,从而改变光纤光栅F-P腔的反射光谱特性,通过解调输出光信号的振荡频率和峰值,即可实现对振动信号频率和幅值的测量。利用压电陶瓷模拟的低频振动信号进行了实验验证,测量结果与理论分析相吻合。该传感器测量灵敏度高,特别适用于微弱振动信号的测量。     

指数修正高斯拟合寻峰算法处理FBG传感信号

光纤布拉格光栅(FBG)传感系统因其检测精度高、重复性好和适应性强等优点而被广泛应用于不同领域。由于FBG传感器为波长调制型传感器,因此对于外界参量的检测即为FBG中心波长的检测,而FBG中心波长值对应于FBG反射光谱的峰值。因此,系统解调的核心即为FBG反射光谱的峰值检测,而高精度的寻峰算法是系统解调的关键技术。现有的寻峰算法对FBG反射谱进行峰值检测时,都是以FBG反射谱为标准高斯型为前提的。但由于实际制作工艺及环境的影响,FBG反射光谱并不是标准高斯型光谱,而是非对称的高斯型光谱,其非对称特性往往会对寻峰精度有一定的影响。针对现有算法这一缺陷,提出了一种指数修正高斯(EMG)拟合寻峰算法。利用三次判定定位实现粗定位,同时剔除假峰和无效峰值;在此基础上以粗定位点为中心进行光谱重构,再利用积分判定峰值偏向;然后根据不同的峰值偏向以给定的指数修正函数进行相应的峰值修正。实验仿真结果表明：定温条件下或变温条件下,与直接寻峰算法、高斯拟合算法和文献中的算法相比,EMG算法的峰值检测误差最小,寻峰精度提高。考虑了FBG反射光谱非对称特性对寻峰的影响,从光谱自身特性的角度,既克服了传统寻峰算法的局限性,又保证了高精度的寻峰效果。     

一种同时测量电流和温度的光纤光栅传感器

提出了一种基于光纤光栅法布里-珀罗干涉仪且可以同时测量交变电流和温度的传感器,并对其进行了理论分析和实验研究.该传感器采用单频激光入射,作为反射镜的一对光纤布喇格光栅自由放置,其间的法布里-珀罗腔粘贴在磁致伸缩材料上,通电导线周围的磁场通过磁致伸缩材料作用于光纤光栅法布里-珀罗腔,引起腔长周期性变化.同时,由于热膨胀和热光效应,环境温度的变化会引起光纤长度和折射率的改变,从而改变光纤光栅法布里-珀罗腔的反射光谱特性.通过检测输出光信号的频率和峰值可实现电流和温度的同时测量.对通电线圈的电流及环境温度进行测量的实验结果与理论分析相吻合.     

一种同时测量电流和温度的光纤光栅传感器

提出了一种基于光纤光栅法布里-珀罗干涉仪且可以同时测量交变电流和温度的传感器,并对其进行了理论分析和实验研究.该传感器采用单频激光入射,作为反射镜的一对光纤布喇格光栅自由放置,其间的法布里-珀罗腔粘贴在磁致伸缩材料上,通电导线周围的磁场通过磁致伸缩材料作用于光纤光栅法布里-珀罗腔,引起腔长周期性变化.同时,由于热膨胀和热光效应,环境温度的变化会引起光纤长度和折射率的改变,从而改变光纤光栅法布里-珀罗腔的反射光谱特性.通过检测输出光信号的频率和峰值可实现电流和温度的同时测量.对通电线圈的电流及环境温度进行测量的实验结果与理论分析相吻合.     

高速双边缘光纤光栅波长解调技术

提出一种双边缘结构对光纤光栅传感进行波长解调的方案,利用被测光谱通过不同光谱特性的滤波器时输出不同光强的比值确定被测光的波长.该系统在解调时不存在任何机械移动部分,比扫描式的解调方法测量速度更快,运行时更稳定、更精确.     

基于粒子群优化的水下成像系统标定

摄像机在水下拍摄时,经过不同介质的成像光线会发生折射,小孔成像模型不再成立,现有标定方法无法准确标定系统参量.针对此问题,本文提出一种基于粒子群优化的水下成像系统标定方法.在空气中应用张正友平面标定法得到摄像机内、外参量,通过求取特征点间相对定位距离,建立系统对水中物体的标定评价函数,并用粒子群算法对其优化,从而标定得到光心到防水罩距离、防水罩平面法向量和防水罩厚度.结果表明:基于粒子群标定算法得到的相对定位误差平均值分别为1.99%和0.62%,而应用高阶畸变折射补偿法得到的相对定位误差平均值分别为3.29%和2.68%;当被测物位于不同拍摄距离以及改变不同姿态时,由本文算法得到的相对定位误差均低于高阶畸变折射补偿法,且本文提出的标定算法可以得到高准确度的系统参量,为水下视觉研究提供了可靠的参量依据.     

A simple temperature-insensitive fiber Bragg grating displacement sensor

The study on fiber Bragg grating (FBG) displacement sensor based on monitoring the back-reflected power from an array of novelly embedded FBG sensors is presented. The sensor is a uniform FBG with three sections that are embedded in different layer in a composite lamina. Its bandwidth is displacement dependent and hence its reflected power varies almost linearly with displacement and it is insensitive to temperature variation. Thus, only low-cost photodetector (PD) is required to monitor displacement. This study demonstrates a novel fiber sensor, a method of fabricated the same, and a method to achieve simultaneous multi-sensor measurement.     

光纤布喇格光栅沉降传感器

根据光纤布喇格光栅的光学传感原理,提出了一种基于悬臂梁及金属弹性膜片的光纤布喇格光栅沉降传感器结构,对其传感特性进行了实验研究.实验通过产生水的液位差来模拟地基沉降,分析结果显示,光纤布喇格光栅中心反射波长漂移对液位差呈现良好的线性关系,线性度高于0.999,灵敏度可达-2.11 pm/mm.通过改变悬臂梁厚度和有效长度,可以对传感器测量范围和灵敏度进行调整,以满足各种应用场合.综合实验结果,该传感器在桥梁、铁路地基等沉降监测方面具有重要意义.     

Designing PMF with negative tap coefficient

DIRECT global optimization algorithm is innovatively used in design of PMF. Tap coefficient is attained by achieving DIRECT algorithm with C language and Matlab language is employed to simulate the amplitude response of filters. We have designed PMF (photonic microwave filter) with negative tap coefficient and then optimize the design. The minimum shape factor is as low as 1.3180. The results show that the algorithm is highly efficient in designing filter and can produce necessary passband and stopband response characteristics. In the meantime, transition band becomes steeper in the process of further optimization and the shape factor is closer to 1.