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关键词： 光纤光栅传感解调   光子集成芯片   温度   心音   可穿戴  

摘要： 为了实现光纤光栅传感器在可穿戴系统中的应用,提出了一种基于硅基光子集成芯片的可穿戴光纤光栅传感解调系统。基于比利时iSiPP50G工艺的光子集成芯片由4×1长波长VCSEL阵列、1×8阵列波导光栅、2×2 MMI耦合器、4×1光纤光栅耦合器阵列、Ge-on-Si波导光电探测器、直波导和弯曲波导等组成。在完成对VCSEL光源金线键合和光子集成芯片光纤耦合封装的基础上,设计了手环式解调电路,对人体温度和心音信号进行了实时测量。实验结果表明:解调系统的动态波长检测范围为1 540 nm~1 560 nm,波长分辨率为0.08 pm,解调精度为5 pm,温度监测范围为35℃~42℃,误差为±0.1℃;可检测50 Hz~100 Hz频率范围内的心音信号,可识别出第一心音和第二心音,并计算出心动周期、心率、第一心音时限、第二心音时限和心力等特征参数。

关键词： 三维波动方程初至层析   单频走时敏感度核函数   单频梯度   随机边界条件   广义Rytov近似  

摘要： 地震波走时层析是主要的近地表速度建模技术.对于变速模型,尤其是复杂近地表模型,波动方程能够更加精确地描述地震波的一阶绕射效应,理论上反演精度高于射线(束)类层析.然而,波动方程的数值求解的计算量较射线理论增加了几个数量级,严重制约了波动方程走时层析技术的三维实用化.为解决波动方程走时层析中遇到的计算和存储问题,本文通过引入随机边界条件以及离散Fourier积分,提出了基于单频梯度反演策略的实用化三维波动方程初至层析方法.本文方法的优势在于:在计算和存储方面,相比于基于波场重构算法(需要三次波传播)的梯度计算策略,本文提出的单频梯度计算方法对内存需求极低(相对于波动方程正演,仅需要增加两个单频波场以及一个成像体),且计算量至少减少1/3(仅需要两次波传播且无需处理数值吸收边界).此外,随机边界的引入使得正演算法大幅简化因而更适用于GPU(Graphics Processing Unit,图形处理器)加速.在理论层面,由于影响地震波一阶散射效应的主要区域集中在连接炮检的中心射线邻域的第一菲涅尔带内,随机边界条件的引入降低了随机边界内产生的散射波的空间相关性,使得第一菲涅尔带内的单频梯度相干加强;同时,地震观测系统的多次覆盖特性有助于第一菲涅尔带外的高波数振荡相互干涉.数值实验表明,光滑处理后的单频梯度仍然保留了非常可观的低波数成分,有助于实现背景速度反演.此外,三维复杂模型反演结果验证了本文方法能够较为准确地反演近地表速度结构.相对于传统的波动方程走时层析实现方案,本文方法在显著降低内存需求的同时进一步提高了计算效率,有望将波动方程初至层析技术推向三维实用化.

关键词： 轨道角动量   光纤光栅   光纤器件   光纤通信  

摘要： 高效地产生相互正交的各阶轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)模式具有重要的研究价值.目前全光纤系统中高效地产生高阶轨道角动量模式的方法主要是基于二氧化碳激光器加工的长周期光纤光栅(long period fiber grating,LPFG).然而产生高阶模式的光栅需要强的折射率调制与小的光栅周期,因此二氧化碳激光器高的功率和大的聚焦光斑不利于其刻写的重复性、成功率和延展性.为了解决这一问题,本文首次提出并制作了基于飞秒激光加工的三阶OAM模式转换器,在六模光纤上加工出了非对称的长周期光纤光栅,实验结果表明其在1550 nm附近能将基模转换为三阶的角向线性偏振模式LP31模式,模式转换效率为98%,该模式可进一步被叠加转化为三阶OAM模式.与此同时,在1310 nm附近,该光栅还能够产生角向一阶径向二阶的OAM模式.本文证明了飞秒激光加工提供了一种可用于全光纤系统,具有高重复刻写性的长周期光纤光栅来产生高阶OAM模式的思路.

关键词： 光学薄膜   激光辐照   温度场   应力场   损伤  

摘要： 光学薄膜对激光系统中光场的调控起着十分重要的作用,但同时也极易受到高能量密度脉冲激光辐照的累积效应而发生损伤,这种累积效应往往引起薄膜内部温度升高,从而发生熔化、破裂等损伤现象。设计了Ta_(2)O_(5)/SiO_(2)双层增透膜(183.33 nm/249.3 nm),从热动力学原理出发,构建了激光诱导Ta_(2)O_(5)/SiO_(2)双层薄膜的温度场和应力场模型,利用MATLAB软件对双层薄膜的温度及应力大小进行了仿真计算。结果表明,激光辐照Ta_(2)O_(5)/SiO_(2)双层增透膜时,膜层均发生热损伤且产生热应力,热应力发生突变,膜层发生热致应力损伤,研究结果对探究激光诱导多层薄膜热致损伤机理具有重要指导意义。

关键词： 光栅衍射   Python   仿真   可见光颜色渐变   遮挡狭缝  

摘要： 为了开辟高效的创新实验路径、缓解高校实验资源短缺和日益紧张的空间资源,本文基于Python语言设计了一款光栅衍射实验的仿真程序,介绍了用户图形界面的设计过程,定性讨论了波长、狭缝总数、透光宽度、遮光宽度和缺级现象的实验结果,并提出了新型的可见光颜色渐变仿真算法。在探究狭缝总数对光强分布影响的基础上,本文进一步提出了创新性实验—“遮挡不同位置的狭缝对透射光强的影响”,并详细介绍了其物理原理与算法设计,模拟出实验后的光强分布对比图。

关键词： 米波雷达   干涉张量ESPRIT   高阶奇异值分解   解模糊   干涉阵列  

摘要： 针对干涉阵列米波雷达快拍数少且弱目标信噪比(SNR)较低等问题,提出干涉张量及干涉张量ESPRIT算法(ITE)。该算法将干涉阵列的快拍数据阵重构为干涉张量并对其进行高阶奇异值分解,以提取信号子空间,再结合干涉阵列的双尺度平移不变性利用张量ESPRIT算法得到目标的方向余弦粗估计和精估计,并利用关联法实现精估计解模糊,最后由常规波束形成法实现粗估计与精估计的配对从而实现高精度方向估计。由于张量较矩阵方法可提高信号子空间的准确度,且米波雷达快拍数较少且弱目标回波信号信噪比低,可利用ITE算法提高米波雷达弱目标方向估计性能,实现弱目标的可靠分辨与定位。仿真与实测结果验证了ITE算法的有效性与正确性,表明其可用于低快拍数及低信噪比条件下的干涉阵列米波雷达弱目标方向估计,并显著降低信噪比门限,尤其对低角目标DOA估计更稳健。

关键词： 环形激光器   全反射棱镜   模式选择   光阑  

摘要： 根据全反射棱镜式环形激光器(TRPRL)的矩阵光学理论和环形He-Ne激光器内环形激光的工作理论,研究了TRPRL的激光模式选择技术方法,可令环形激光器内的顺时针和逆时针两个方向上的激光工作在单谱线、单横模、单纵模的状态,从而在环形激光器内形成稳定的驻波,输出到光电探测器上稳定的干涉条纹信号波形。采用缩短TRPRL的毛细管直径方法,可抑制3.39μm谱线;由于TRPRL的特殊的环形激光器结构,采用分立式特殊结构设计的选频光阑,选频光阑可以放到环形激光器的光路任意位置处,而多个选频光阑即可有效抑制1.15μm的谱线;根据不同波长激光腰斑半径的不同,在光腰处采用特制的椭圆小孔光阑,抑制0.63μm激光的高阶横模。对于TRPRL在全反射棱镜式激光陀螺(TRPLG)中的应用具有重要意义。

关键词： 圆光栅角度传感器   偏心误差   双读头法   偏心参数估计   FPGA误差补偿  

摘要： 偏心误差是圆光栅角度传感器测角误差的主要来源之一。通过推导偏心误差的表达式及其三角级数展开，提出了使用对径双读头可以测量偏心参数并补偿偏心误差，因此设计了利用改进的粒子群算法从双读头计数值中拟合得到偏心参数的流程和一种基于区间转换和两级查找表的FPGA偏心误差实时补偿模块，使得在标定得到偏心参数后，在设备中仅使用单个读头就能实现与双读头几乎相同的测角精度，节省了成本。实验分析表明，对于实验中用到的单圈320000计数值的编码器，在误差补偿前，单读头计数值与双读头计数均值之间最大相差109左右，即偏心误差最大可达0.06°，显著影响测角精度；而在误差补偿后，二者最大相差6，平均仅相差1.46，这验证了本文提出的误差补偿方法可以有效代替双读头的使用。

关键词： 超精密加工   散射特性   表面粗糙度   测量方法  

摘要： 针对超精密车削表面,提出一种基于多波长散射光特性的表面粗糙度测量方法,以铝合金为例对该方法进行验证。首先建立超精密车削表面形貌—散射光模型并开展验证实验,定量实验结果证明建立的散射光模型平均误差仅为1%。基于散射光模型研究刀痕纹理方向、刀痕宽度(每转进给量)和刀痕高度(表面粗糙度峰谷值)对镜像光反射率的影响,研究结果证明表面粗糙度是影响镜像光反射率的关键因素。在此基础上进一步建立300~700 nm波长范围内镜像光反射率平均值和表面粗糙度之间的定量关系,基于超精密车削表面的测量结果对该定量关系进行验证。所提出新方法获得的粗糙度测量结果与原子力显微镜测量结果吻合,最大相对误差仅为7.5%。

关键词： 光纤光学   传感器技术   准分布式测量   列车测速定位   布喇格光栅  

摘要： 现有轨道交通定位和测速方法易受到外界环境干扰,具有不稳定性。为了解决这些难题,结合光纤光栅绝缘、抗干扰能力强、耐腐蚀等特性,提出了一种基于弱光栅阵列的结合波分和光时域反射仪技术的高精度列车测速定位系统方案,通过密集型复用方式实现光栅点的绝对定位需求,并设计了根据不同光栅分区定位结果及其波长漂移规律来计算实时速度和位置的数据处理方法。为验证系统性能,搭建了模拟运行环境,进行了理论分析和实验验证。结果表明,该方案能实现厘米级的定位精度和1 km/h的测速精度。该研究在轨道交通方面具有广泛的应用前景。