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关键词： 超精密位移测量   光栅干涉   涡旋光   轨道角动量   圆周角度细分  

摘要： 精密位移测量技术及传感部件,作为精密定位与运动控制的“眼睛”,直接决定装备的精度。光栅干涉测量技术,因其物理栅尺稳定、干涉光程短,对环境扰动不敏感,成为当前最受关注的大量程纳米测量技术之一。本文提出以涡旋光为载体的光栅干涉位移测量新方法,围绕涡旋光干涉位移测量模型、涡旋光干涉传感光路设计、涡旋光干涉信息解析等方面开展研究,主要研究工作和结果如下: (1)研究了涡旋光与光栅相互作用过程的衍射、干涉效应,建立了涡旋光激励的精密光栅干涉位移测量模型。采用标量衍射理论,研究涡旋光束的衍射干涉效应,建立了考虑涡旋光束和光栅参量的涡旋干涉条纹表达式,分析了栅距、衍射级次和拓扑荷数等参数对干涉图案的影响;研究光栅待测位移对涡旋干涉条纹的调制规律,阐明了以涡旋光为载体的光栅干涉位移传感机理,建立了涡旋光激励的精密光栅干涉位移测量模型。结果表明:相比于传统光栅线性条纹的单点明暗变化,与位移成比转动的菊花状条纹因其天然2π计量基准,具备天然的动态相位解调能力与可溯源优点,配合相机高精像素分辨率与解析算法,测量精度最高可达皮米级。 (2)研究了涡旋光调制、衍射及光栅干涉的光路设计准则,设计了涡旋光激励的精密光栅干涉传感光路,开展了传感光路的静/动态仿真。采用Tracepro仿真软件,验证了系统设计光路基本参数。搭建了以Virtuallab fusion为基础的物理光学仿真模型,分析了条纹形态与拓扑荷的静态关系,进一步调整了光栅位置参数,验证了位移与转角的动态映射关系。结果表明:传感光路设计合理,测量模型正确。且干涉条纹形态只相关于拓扑荷,动态转动比例关系与栅距p、衍射级次m成正比,与拓扑荷数反比,为0.216°/nm。 (3)研究了涡旋光干涉条纹的解析方法,设计了基于图像处理的涡旋光干涉解析算法,实现了干涉条纹高倍率的有效相位识别。采用图像处理技术,研究了花瓣质心精准识别及中心拟合算法,进一步提高干涉图样的定位和圆周角度细分精度。设计并研制了软硬件结合的高速信号处理方案,编写了对应的上位机程序。结果表明:解析方法及器件在位移解调方面的可靠性与有效性,在维持高精测量分辨率的同时,提高了量程。 (4)搭建了涡旋光束激励的光栅干涉测量试验台,进行了干涉测量系统实验、分析了分辨力、绝对精度及重复精度的性能测试实验结果。结果表明,系统进行0.1μm多步长测试时,分辨力达亚微米级,若精度能达到0.001°,则皮米级。重复性测量采用激光干涉仪做标定,进行多组10μm单向行程运动,误差结果表明重复精度为18.88nm。

关键词： 光纤布拉格光栅   应变传感   水下目标探测   水流场信息   方向探测  

摘要： 在当前国家高度重视并积极推动海洋高新技术发展和科技创新以及光学传感技术不断发展的双重背景下,本课题基于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)的高灵敏度、抗腐蚀、小尺寸等特点,提出了光纤布拉格光栅的球头圆柱体结构水流场信息传感器,旨在完成在海洋等水环境下的目标探测。对传感器柱体部分以及各FBG在受力情况下进行了力学特性分析,并将传感器形变量与FBG中心波长的位移量之间建立了联系,完成对传感器的制备,并对其各项指标进行了测试,完成传感器方向探测等算法的设计,通过实验验证了其可行性。具体工作总结如下: 通过3D打印法和翻模灌胶等方法制备了不同参数的球头圆柱体传感器,包括对传感器、柱体、底座及其支撑体进行了制备。提出传感器一致性的评估原理及方法,并通过实验完成对单个传感器的FBG以及多个传感器对应位置的FBG之间工作性能的一致性判定。完成了对传感器的一些基本指标测试,如传感器响应时间测试,对刺激的响应时间能达到10ms量级,能够发挥FBG的优势;传感器测量带宽测试,完成了1 Hz～1 k Hz频率范围的振源测试;传感器流速测试,结果表明传感器能够探测出在2.1～10.9 cm/s流速范围之间的流速变化,并有分辨出小于2 cm/s时的流速变化的潜力。 根据传感器发生应变时其内部4根FBG的中心波长表现不同的特性,设计了传感器探测刺激方向的算法,在16个不同方向的对传感器施加刺激,通过数据处理计算出刺激方向,验证了算法的可行性,并总结了误差来源。提出了根据多个传感器所确定出的刺激方向,对刺激源进行定位的思路原理。通过户外水环境进行了一系列传感器的应用测试实验,包括对不同位置、不同频率、不同振源大小的测试,此外,使用潜航器模拟水下运动目标,针对传感器与潜航器在不同相对位置、运动状态的情况进行了测试,验证了传感器能够探测水下运动目标的同时还能分辨该目标的不同运动状态。

关键词： 针尖轨迹运动加工   亚波长光栅结构   尺寸效应   有限元法   衍射效率  

摘要： 在特定条件下,具有亚微米级几何特征的表面周期结构可生成基于光学衍射的缤纷色彩,周期小于等于可见光波长时结构称为亚波长光栅结构。理论上亚波长光栅结构拥有仅产生两级衍射的光学能量调控能力。以亚波长光栅结构为代表的各类亚波长结构在防伪加密、光传输网络、国防装备等领域应用广泛。基于针尖轨迹运动的单点金刚石加工通过超精密驱动模块逐点成形,可以实现成本低、安全环保、几何与表面精度高的大面积亚波长结构生成。实际加工中,受亚微米尺寸下驱动位移精度、轨迹运动参数以及刀具几何误差干涉等影响,往往无法得到符合理论期望的明亮结构颜色。此外,亚微米尺寸下材料塑性变形行为不同于宏观理论,例如几何必须位错的堆积与特定内禀尺寸下的非均匀变形对材料塑性流动的潜在影响,又如在局部晶粒变形中晶体位错滑移模式与几何约束产生的各向异性力学响应机制等。本文基于针尖轨迹运动加工工艺,通过实验与数值模拟建立了工艺参数、结构几何特征与衍射效率之间的联系,同时引入应变梯度理论与晶体塑性理论,研究了尺寸效应与各向异性力学响应对材料变形的影响,提出了工艺改进策略,最终得到了具有良好衍射特性的亚波长光栅结构。本文主要进行的工作有: (1)为建立工艺参数与结构色质量之间的定量可控关系,本文分析了不同工艺条件下结构的理论轮廓、仿真轮廓与实验轮廓几何特征的差异性与产生原因,同时基于时域有限差分方法计算不同轮廓的衍射参数,通过轮廓几何特征建立起结构衍射特性与工艺条件之间的联系。结果表明,结构高度是影响-1级衍射效率的重要几何特征,具体而言,衍射效率随结构高度的提升而增大,在高度相同的情况下,结构轮廓的几何形状对衍射效率无明显影响;其次,预测了给定周期下的最佳结构高度范围,并分析了高度一致性对衍射效率的影响。通过实验对相关分析进行了验证,得到了优化工艺参数,最终获得了衍射效率超过80%的V形复合亚波长结构。 (2)为分析几何必须位错对亚波长光栅结构加工力学响应的影响,本文引入低阶应变梯度理论CMSG理论,研究了因几何必须位错堆积产生的材料非均匀变形引起的尺寸相关塑性行为变化。分别对单一压痕、旋转轨迹运动过程中应变梯度效应对材料变形行为的影响进行研究。结果表明,对于单一快速压痕过程,压痕表面临近区域的几何必须位错累积将导致更大的加工硬化,从而导致了更大的针尖载荷和更小的表面堆积高度,提高了材料硬度,对材料的塑性流动造成了明显的阻碍,加工尺寸越小尺寸效应越明显,需要设置合理的加工尺寸避免硬度的急剧增长对材料成形的影响。 (3)为考虑晶粒内部位错滑移的各向异性特征对材料变形行为的影响,本文采用晶体塑性有限元方法研究了当加工尺寸与晶粒尺寸相当时,单晶与双晶材料的各向异性变形响应,总结了针尖轨迹运动加工亚波长结构中出现的若干变形与应力分布模式,分析了双晶晶界对位错滑移以及结构成形的影响,研究了工艺参数与材料属性对相关模式的改变,从而得到有利于位错滑移变形的工艺条件。 综上所述,本文对旋转轨迹运动加工亚波长光栅结构工艺中结构的几何特征对衍射特性的影响进行了研究,同时,基于应变梯度理论与晶体塑性理论分析了材料微尺度的不均匀应变分布与位错滑移的各向异性机制对亚波长光栅结构塑性变形产生的影响,通过对结构几何特征与塑性变形机理实现相关的工艺参数优化。

关键词： 光波导谐振腔   高品质因子   PDH锁频   宽频水声传感   强度解调  

摘要： 随着水声传感器在水下目标探测、海洋资源勘探、地震波检测、蛙人探测、探雷避碰声纳等军事和民用领域的广泛应用,人们对于高灵敏度、宽频响应范围的水声传感器的需求显著增加。相比于传统电式水声传感器,光学水声传感器具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、重量轻等不可替代的优势。光学谐振腔品质因子高、尺寸小,以光学谐振腔为敏感单元的声传感器有望实现高灵敏、超宽频的声波探测,对于提高声传感器应用的普适性提供了可行的手段。针对目前光学水声传感器工作频率范围窄难以满足宽频声波应用需求的问题,本文基于光学谐振腔提出了一种无振膜、全固态、高灵敏、超宽频的二氧化硅光波导谐振腔声传感器（Optical Waveguide Resonator Acoustic Sensor,OWRAS）,并设计了OWRAS的宽频水声检测系统。作为一种新的宽频水声传感器,OWRAS能够实现超宽频、高灵敏度的水声信号测量,满足宽频声波领域的应用需求。本文相关研究内容如下: 1.基于量子光学原理建立了光波导微环谐振腔敏感单元与声场强度间的映射模型;分析了水声与光波导有效折射率之间的关系,揭示了光波导谐振腔与水声耦合作用机理;并对谐振腔频响性能及温度特性进行了理论分析,为高灵敏度宽频水声探测提供了理论基础。 2.设计了高Q值槽式SiO2光波导谐振腔。为了使谐振腔具有最大的谐振深度和较高的Q因子,将谐振腔的耦合状态设计为临界耦合;为了增强声波与谐振腔耦合区域的相互作用,对谐振腔耦合区域进行了刻槽,根据仿真结果将微槽尺寸设计为40μm×40μm和180μm×180μm;采用等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD）及电感耦合等离子体刻蚀技术（ICP）对槽式光波导谐振腔进行加工;用玻璃套管对波导的输入输出端与保偏光纤进行耦合封装。经测试,谐振腔的品质因子Q达到2.3×10～7。 3.针对测试环境中系统噪声及温度波动噪声对声信号检测的影响,设计了基于PDH（Pound-Drever-Hall）锁频技术的OWRAS水声测试系统。该系统通过反馈误差信号实现对激光频率的控制,将激光频率实时锁定在谐振腔的谐振点上,从而降低了噪声对声信号测试的影响,提高了检测精度。为了获得更好的信噪比,研究了调制频率对解调信号的影响,确定了系统最优调制频率为9 MHz。最后通过实验对OWRAS进行了水声传感效应验证,并研究了温度波动、微槽尺寸对OWRAS的性能影响。实验结果表明,OWRAS检测系统可以实现40-1250 Hz的水声信号测量,平均灵敏度为-173.4 d B（re 1V/μPa）,其中在1 k Hz频率下灵敏度响应达到-163.1 d B;最小可测声压为50 m Pa/Hz1/2@1 k Hz;系统分辨率为1 Hz,且系统对水声信号测量的重复性和稳定性良好;在室温附近的微小温度波动范围内系统灵敏度不受其影响。 4.针对目前光学水声传感器工作频率范围窄的不足,提出了基于强度解调法的OWRAS宽频水声检测方法。首先理论分析了谐振腔Q因子以及腔长对灵敏度的影响,优化了光波导谐振腔的结构,进一步提高了谐振腔的Q值;之后分析了光电探测器的输入功率对信噪比的影响;为确保中高频水声检测的准确性,还详细说明了OWRAS中高频水声测试方法,包括远场测试距离的必要性以及声源发射不同频率的超声信号的脉冲数量。最后,通过实验验证了基于强度解调法实现OWRAS宽频水声检测的可行性。实验结果表明,OWRAS可以实现10 Hz-1.2 MHz的高灵敏度宽频水声信号测量,且10 Hz-2 k Hz频率范围内OWRAS的平均灵敏度达到-139.1 d B（re1V/μPa）,波动范围为±4 d B,同时具有67.6 d B@1 k Hz的等效噪声压,低于海水的背景噪声水平,具备应用于海洋水下声信号探测的能力;在10 k Hz-1.2 MHz频率范围内平均灵敏度达到-167.1 d B,波动范围为±4 d B。该方法很大程度上扩展了OWRAS在宽频水声检测领域的应用范围。 本文首次提出了高Q值槽式光波导谐振腔应用于宽频水声检测,并能够实现从低频10 Hz到高频1.2 MHz的高灵敏度宽频水声信号测量。本文的研究为宽频声波检测技术提供了新方向,也为二氧化硅光波导谐振腔声传感器的工程应用奠定了研究基础。

关键词： 光纤布拉格光栅   应力传感   中心波长解调   高斯过程回归   卷积神经网络  

摘要： 近年来我国建筑业持续快速发展,规模不断扩大。因此对灾害的提前预警以及灾后第一时间内对建筑结构的损伤程度和剩余寿命评估已成为一个关键问题。光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)应力传感以其自身体积小、耐腐蚀、不易受电磁干扰等优点在建筑结构损伤监测以及检测超重等领域有着举足轻重的作用。然而光器件非线性温漂、外部环境噪声干扰等不利因素会导致光纤光栅应力传感中存在线性拟合度低、反射光谱中心波长解调精度低的问题。因此对于提升光纤光栅反射光谱的中心波长解调精度成为当前的研究热点。 本论文提出了两种智能波长解调算法为解决上述问题提供了新的思路,并且深入研究了光纤光栅应力传感波长解调技术,主要研究工作内容如下: (1)提出了一种基于粒子群优化的高斯过程回归(Particle Swarm OptimizationGaussian Process Regression,PSO-GPR)波长解调算法。旨在提高FBG应力传感系统中反射光谱中心波长与外部环境变量之间的线性拟合度。通过粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)去寻找高斯过程回归(Gaussian Process Regression,GPR)模型中的最优超参数,以提升对反射光谱中心波长的预测性能。搭建了基于等强度悬臂梁的应力传感系统用以采集数据,并设计一款用于收集并分析反射光谱数据的软件,分析了传输光纤距离、光源类型、光源功率大小以及实验环境对系统性能的影响。使用所提出的PSO-GPR波长解调算法对数据进行线性拟合分析处理。实验结果表明,所提出的算法能够有效提高线性拟合度,在测试集内最高可达0.9713,相较于最大值法、高斯拟合法、质心法以及GPR分别提升了27.40%、3.60%、3.70%、3.30%。研究了算法在不同采样点个数下对线性拟合度的影响,PSO-GPR在不同的采样点条件下能够显著提升线性拟合度。其中在501个采样点下线性拟合度可达0.9900,相较最大值法、高斯拟合法、质心法以及GPR均有所提升,其中相较于最大值法和GPR分别提升了35.90%、7.10%。 (2)提出了一种基于自注意力机制的一维卷积神经网络(Self-Attention-OneDimensional Convolutional Neural Networks,SA-1D CNN)波长解调算法。旨在解决传统波长解调算法解调精度低、泛化能力不足以及一维卷积神经网络(One-Dimensional Convolutional Neural Networks,1D CNN)难以捕捉到数据所有重要信号特征的问题。建立了光谱反射强度与反射光谱中心波长之间的非线性回归模型,引入自注意力机制模块以提升模型的性能。搭建了一套基于两端夹持结构的应力传感系统,收集四种不同微动台位移间隔下的光谱数据用以构建网络模型的训练数据集。对SA-1D CNN进行性能对照分析。结果表明,所提出的SA-1D CNN在四种不同位移间隔下的波长解调性能均优于对照组,RMSE最低能达到0.69 pm。在同条件下,与1D CNN相比,所提出的SA-1D CNN降低了0.54 pm,性能提升了约44%。通过改变微动台的位移间隔,进一步验证SA-1D CNN的性能。结果表明,在0.01 mm间隔下,SA-1D CNN的RMSE相较于1D CNN和BP神经网络分别下降了0.4 pm与2.12 pm,分别提升了约17%和52%,在0.1 mm间隔下,分别下降了0.23 pm与0.56 pm,分别提升了约23%和42%。可见所提出的SA-1D CNN在光纤光栅应力传感中具有良好的波长解调精度以及泛化能力。

关键词： 光纤光栅   碳纤维板   感知性能   无损张拉   抗弯试验  

摘要： 对老旧建筑物进行加固并实时监测加固效果是我国工程界目前关注的重点。预应力碳纤维板在众多加固技术中具有自重轻、耐腐蚀、易于施工和主动加固的优点,而光纤光栅传感器在监测方面体积小、易于植入测体、传输信息精度高的优势。将光纤光栅传感器嵌入预拉的碳纤维板实现光纤光栅传感器预压,形成集加固与监测一体化的光纤光栅智慧碳纤维板有很高的应用价值。碳纤维板抗剪强度较差,预拉碳纤维板时采用常用的张拉工艺会对碳纤维板造成剪切破坏,进而造成材料浪费。因此,开发一套无损的光纤光栅智慧碳纤维板制备工艺势在必行。 本研究首先对光纤光栅嵌入碳纤维板的参数进行设计,其次根据碳纤维板高效、无损张拉的原则设计了碳纤维板无损张拉装置与无损夹具,并形成了一套光纤光栅智慧碳纤维板制备工艺,最后对光纤光栅智慧碳纤维板进行感知性能标定试验和加固梁试验,验证了该工艺制备的光纤光栅智慧碳纤维板能满足实际工程的加固与监测要求,为今后光纤光栅智慧碳纤维板推广实际生产应用提供参考。本文的主要研究内容与成果总结如下: (1)基于弹性力学理论和简化光纤光栅传感器粘贴模型,推导出了凹槽内光纤光栅传感器与碳纤维板的应变传递率关系式,得出光纤光栅传感器的粘贴长度宜≥300mm。提出对光纤光栅预压扩大其量程,并推导得出当光纤光栅智慧碳纤维板预压应力≥480MPa时,监测量程可满足需求。 (2)根据实际工程使用碳纤维板较长的特点,开发了曲面夹板与粘贴薄铝板组合设计的碳纤维板无损张拉装置,其具有尺寸小、张拉效率高的特点。经试验,碳纤维板无损夹具能在高达60%极限拉伸力的持荷应力下无损夹持碳纤维板,验证了该夹具适用于智慧碳纤维板制备。 (3)对制备出的光纤光栅智慧碳纤维板进行感知性能标定试验,得到光纤光栅智慧碳纤维板的应变灵敏度在1.18 pm/με～1.22pm/με之间,与理论值相符,并且迟滞不超过1.11%,线性度不超过1.97%,重复性不超过1.73%,证明了本研究制备的光纤光栅智慧碳纤维板具有优良的感知性能。 (4)光纤光栅智慧碳纤维板在加固梁试验直至破坏全过程中能与试验梁受拉纵筋共同承担试验梁所受拉力,其破坏模式为梁体受压区压溃,碳纤维板未因光纤光栅的嵌入而受损提前失效;且智慧碳纤维板均能对其应变进行监测未失效,保持着良好的线性,梁体破坏时监测应变高达8500με,说明了其监测性能优异,实现了加固与监测一体化。