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关键词： 飞秒激光   聚合物光纤   布拉格光栅   逐点刻写   双折射效应  

摘要： 聚合物光纤(Plasticopticalfiber,POF)又称塑料光纤，与传统的石英光纤相比，具有纤芯直径大、杨氏模量小、抗损伤应变大、生物相容性好等特点。它在照明装饰、短距离通信、医疗检测、传感等领域具有很好的应用前景。　　本文使用基于飞秒激光的逐点刻写法在基于纤芯为TOPAS(5013S-04,TOPASAdvancedPolymersRaunheim,Germany)包层为ZEONEX(480R,ZEONCORPORATION,Tokyo,Japan)的塑料光纤上制备了一系列的一阶和四阶布拉格光栅(FiberBraggGrating,FBG),并对其热稳定性和应变灵敏度进行了测试。　　在加工FBG之前需将POF进行24小时的高温退火以消除其内部的应力，再使用紫外胶固化法将POF两端与单模石英光纤(SilicaOpticalFiber,SOF)连接，这样方便在加工FBG的过程中可以实时监测其光谱。本研究中一共使用了5根POF,编号为POF1-5。使用第一套系统(60X油浸物镜)在POF1-3中一共制备了13个一阶FBG,每个FBG长度为2mm,脉冲能量在9.7nJ～11.2nJ,其中负平均有效折射率调制高达6×10-4。其中POF1中的FBG1-6和POF2中的FBG7-12用于研究热稳定性，而POF3中的FBG13配合FBG14、FBG15用于应变传感实验。POF4和POF5中的FBG14和FBG15是使用第二套系统(40X物镜)制备的四阶FBG,其使用单脉冲能量分别为10.15nJ和13.54nJ。　　对于POF1中的FBG1-6,其最高反射率为45.1％,使用的脉冲能量为10.6nJ。并且在125℃下进行24小时的后退火后，其光栅反射率增加了约10％。对于POF2中的FBG7-12,也得到了相类似的结果。将其在125℃下进行了长达78小时的后退火，与室温下相比，退火后的FBG平均反射率增加了约50％,再一次证明了此聚合物光纤光栅传感器(PlasticopticalfiberBragggrating,POFBG)具有长期的温度稳定性。因此，本工作制备的POFBG对湿度不敏感的高温测量具有一定的潜力。　　应变传感实验中，FBG13的反射光谱只有一个主峰，主峰旁边有很多侧边子峰，但是子峰和主峰表现出了相似的应变灵敏度为1.17pm/με。FBG14的反射光谱有7个主峰，其应变灵敏度在1.249pm/με到1.296pm/με之间，这是由于FBG14与FBG13产生子峰的机制不同。FBG15的反射光谱有5个主峰，并且其主峰由于双折射效应(Hi-Bi)分裂为两个子峰，将相关实验数据拟合后可得到左右子峰的应变灵敏度分别为1.44pm/με和1.55pm/με。由于左右子峰表现出的应变灵敏度差异较大，将其布拉格波长差λD与应变量的变化曲线拟合可以得其应变灵敏度为0.11pm/με。因此在允许的误差范围内，高双折射POFBG传感器有希望用于应变和温度的同时测量。

关键词： 无网格方法   有限差分法   反问题   波动方程  

摘要： 无网格数值方法的研究已有将近50年的历史,近年来国内的无网格数值方法研究达到高峰,发展了各种无网格方法用于求解发展方程。无网格方法不需要构造复杂的网格,利用散点信息,根据计算节点来近似,避免了网格依赖等问题,能够有效解决网格类方法存在的难题。本文采用时空多项式特解法求解几类发展方程,主要以波动方程及其反问题为例,该方法通过将时间变量看作普通的空间变量,使用满足波动方程的不同阶的多项式特解作为基函数对波动方程进行数值模拟。与传统的网格类方法不同,该算法的稳定性不需要受限于时间步长与空间步长的网格比,算法简洁灵活,易于实现。数值算例表明与传统的网格类方法相比,时空多项式特解法具有较高的数值精度,较强的稳定性。尝试采用时空多项式特解法求解了波动方程的逆柯西问题,通过给定的外部边界数据恢复内部边界的数据和结束时间T数据恢复初始时间T(28)0数据。数值实例表明,该方法与多尺度技术相结合,在求解2维和3维波动方程的边界和时间反问题方面具有较高的精度、较高的计算效率和稳定的数值性能,选择扰动数据对时间反问题也具有一定的适应性。本文主要研究了时空多项式特解法求解发展方程及其反问题。主要工作如下:(1)介绍了时空多项式特解法的理论基础以及相关概念,提及发展方程及其反问题的研究现状以及我们目前正在做的工作。(2)讨论1维和2维波动方程的精确解及其数值解,采用时空多项式特解法对1维和2维波动方程进行了数值模拟,并与传统的有限差分法进行了比较。(3)对3个具有不同传播速率的数值算例(空间求解区域为1维、2维或3维的规则区域和非规则区域)进行求解,结果表明该算法精度高和稳定性强,不需要确定任何参数,只需要内部和边界配置点的位置信息。数值解的精度取决于所研究问题的复杂程度,比如波动方程中传播速率的大小。传播速率越小,波动方程求解越困难,数值结果与理论结果一致。(4)采用时空多项式特解法求解波动方程的逆柯西问题。通过给定的外部边界采用该算法恢复内部边界的数据和结束时间T数据恢复初始时间T(28)0数据。数值实例表明,该方法与多尺度技术相结合,在求解2维和3维波动方程的边界和时间反问题方面具有较高的精度,证明了选择扰动数据对时间反问题的适应性。

关键词： 螺旋光纤光栅传感器   级联干涉结构   弯曲传感   生命体征信号监测  

摘要： 自从20世纪70年代以来,光纤传感技术得到了迅猛的发展。光纤光栅传感器具有重量轻、抗电磁干扰、体积小、结构简单等众多优点,其无源性、高灵敏度、高稳定性是普通电子传感器所不具备的,能更好地应对恶劣环境下的测量。为了实现对外界环境参量高灵敏的测量,各种结构的光纤光栅传感器层出不穷,相关的应用越来越广泛,尤其是在工业领域中用于测量温度、折射率和应力,以及在医疗保健领域中用于监测生命体征信号。本文提出了基于螺旋长周期光纤光栅级联干涉结构的传感器,研究了传感器的弯曲灵敏度以及其他传感特性,并且探索了传感器在无接触人体呼吸信号和心跳信号检测上的应用。本文的具体工作如下:本文提出并研究了螺旋长周期光纤光栅级联单模-多模-单模干涉结构的传感器,所提出的螺旋长周期光纤光栅是基于单模光纤所制作。本文首先分析了螺旋长周期光纤光栅的基本理论,构建了仿真模型,并对其仿真结果进行分析验证。其次介绍了螺旋长周期光纤光栅级联干涉结构传感器的制作方法,给出了螺旋长周期光纤光栅具体制作参数,成功制作出性能稳定的螺旋长周期光纤光栅,接着对制成的样品进行了光谱测试。基于螺旋长周期光纤光栅级联干涉结构的传感器制备完成后,对样品进行了弯曲传感实验。通过实验发现,波长与曲率之间具有一定的线性关系,基于单模-多模-单模-多模-单模（SMSMS）结构的螺旋光纤光栅传感器的弯曲灵敏度为-32.39 nm/m,其线性拟合系数R=0.99,结果表明基于SMSMS结构的螺旋光纤光栅传感器在弯曲传感领域具有很大的优势。接着对传感器的其他传感特性（应变、折射率、温度）进行了实验,发现其在传感领域具有潜在的应用价值。同时本文研究了SMSMS结构的螺旋光纤光栅传感器在生命体征信号检测方面的应用。通过设计并制备生命体征传感器,搭建生命体征信号检测系统,对志愿者进行生命体征实验,实现了人体的心率和呼吸率的同步、实时监测。将传感器与医用监护仪进行精准比较,实验结果表明心率的误差在3 bpm内,呼吸率的误差在2rpm内,均在可接受的范围内,所提出的传感器具有很好的可重复性和准确性。

关键词： 隔水导管   波动方程   锤桩   土塞  

摘要： 针对涠洲W平台36寸隔水导管，将打桩过程视为应力波在桩内的传播过程，用分离单元模型代替了一整根连续的桩，建立了一维波动方程，并考虑土塞效应阻力在打桩过程中的摩阻力，给出了求解打桩过程的力学模型、土阻力模型和数值解法，得到了隔水管锤桩贯入比随锤击数变化的曲线。预测采用D100打桩锤作业时最后贯入比接近拒锤标准，难以将导管打入至设计深度；预测D125最后贯入度为136锤/0.25m，实际贯入比为140锤/0.25m，理论预测与实际作业数据相吻合，验证了打桩计算方法的正确性。

关键词： 弥散张量成像   急性脑梗死   神经纤维损伤评估   预后  

摘要： 目的:研究磁共振弥散张量成像在急性脑梗死患者病变区域的参数变化与临床疾病进程、入院时病情评估以及3个月后的临床结局之间的关系,为急性脑梗死患者早期诊疗及预后预测提供帮助。方法:选取卒中急诊就诊并经证实为急性脑梗死患者29例。（1）急性脑梗死患者脑损伤评估,即DTI与临床疾病进程、入院时病情评估相关性研究:患者入院时进行磁共振弥散张量成像（DTI）扫描,后处理后于病变区域与对应健侧放置感兴趣区,计算各向异性指数（FA）、容积比各向异性（VRA）、平均扩散系数（DCavg）、衰减指数（Exat）及双侧（患/健）对比形成的相对值（rFA、rVRA、rDCavg、rExat）。根据患者发病时间分为超急性期（5例）与急性期（24例）,并记录临床严重程度评分表:美国国立卫生研究院卒中量表（NIHSS）及改良Rankin评分量表（mRS）。分析超急性期与急性期病灶区域DTI各参数的变化;超急性期与急性期DTI各参数相对值之间的差异;患者DTI各参数相对值之间的相关性;患者DTI各参数相对值与入院时NIHSS、mRS评分的相关性。（2）急性脑梗死患者预后评估,即DTI与预后相关性研究:3个月后进行mRS评分随访,成功随访患者22例,根据3个月后的mRS评分分为预后良好组（12例）与预后不良组（10例）。分析患者入院时DTI各参数相对值与3个月后的mRS评分之间的相关性;不同预后组间患者入院时DTI各参数相对值的差异。结果:1.急性脑梗死患者脑损伤评估,即DTI与临床疾病进程、入院时病情评估相关性研究:超急性期病灶侧DCavg值较对应健侧减低[（3.498±1.349）×evs.（7.648±0.287）×em/s,P=0.002],Exat值较对应健侧升高[（0.711±0.094）vs.（0.468±0.013）,P=0.004],而FA值、VRA值差异无统计学意义（P>0.05）。急性期病灶侧FA值、VRA值、DCavg值均较对应健侧减低[分别为（0.350±0.157）vs.（0.426±0.137）,P=0.013;0.133 vs.0.191（秩和检验:采用中位数）,P=0.024;（3.164±1.191）×evs.（7.829±0.821）×em/s,P<0.001],Exat值较对应健侧升高[（0.735±0.085）vs.（0.461±0.036）,P<0.001]。超急性期rFA值、rVRA值较急性期高[1.059 vs.0.817（秩和检验:采用中位数）,P=0.021;1.143 vs.0.684（秩和检验:采用中位数）,P=0.018]。患者病变区域rFA值与rVRA值呈极强正相关关系（r=0.989,P<0.001）;rDCavg值与rExat值呈极强负相关关系（r=-0.895,P<0.001）;rFA值与rDCavg值、rVRA值与rDCavg值呈中等强度负相关关系（分别为r=-0.468,P=0.010;r=-0.438,P=0.017）。患者DTI中的rFA值、rVRA值、rDCavg值、rExat值与入院时NIHSS、mRS评分无显著相关性（P均>0.05）。2.急性脑梗死患者预后评估,即DTI与预后相关性研究:患者入院时DTI各参数相对值与3个月后的mRS评分无显著相关性（P均>0.05）。不同预后组间入院时DTI各参数相对值无显著差异（P均>0.05）。结论:1.不同时期病灶DTI各参数改变可反映不同时期脑梗死患者脑组织损伤,超急性期与急性期患者病灶中代表弥散的DCavg均减低,Exat均升高,但仅有急性期患者病灶表现为代表神经纤维束状况的FA、VRA减低。2.超急性期与急性期患者病灶区域rFA、rVRA之间存在差异,有望通过rFA、rVRA协助发病时间的诊断,为脑梗死患者的临床分期及治疗方案选择提供影像学依据。3.急性脑梗死患者入院时DTI各参数相对值不能反映入院时临床严重程度,且不能对3个月后的预后进行预测,提示DTI在应用于非腔隙性脑梗死患者病情与预后评估方面,可能还需要包含更多时期（亚急性期、慢性期）、更大的样本量或者更全面的因素分析等。

关键词： 产品设计   用户体验   光纤光栅解调系统产品   光纤传感技术  

摘要： 光纤传感技术是一个国家信息化建设的里程碑之一,其突飞猛进的发展速度也推动了国内外对于光纤光栅传感解调技术及解调系统产品的研究。市场上已经出现了基于不同解调技术的光纤光栅解调系统产品,常规的解调产品因体积大、使用不便、价格昂贵等缺点己不能满足工程应用需求。将用户体验方法及原理应用于科研及工程领域产品的设计,设计出更贴近消费者需求、用户体验度高的产品具有重要意义。 本文首先对用户体验理论研究、光纤光栅解调系统概念及分类、解调原理等相关概念及理论进行论述,为论文研究提供清晰、明确的思路和方向,为产品设计研究提供技术支撑;其次,对光纤光栅解调系统进行用户体验研究。利用用户体验地图将现有光纤光栅解调系统产品进行用户行为分析,通过细化每个阶段行为、分析具体动作、用户情绪体验,寻找影响用户体验的痛点,并探究产品改进机会点和功能实现的可行性;再次,根据用户体验五要素,结合对光纤光栅解调系统产品的用户行为分析、功能需求分析、使用环境分析、交互体验分析等,提出基于用户体验的光纤光栅解调系统产品设计优化思路。明确光纤光栅解调系统需满足小型化、便携化、低成本、智能化、多场景适用、交互体验好的产品设计定位需求。 最后,完成智能化光纤光栅解调系统产品设计实践。绘制内部结构及工作原理图,对各功能模块进行可行性测试,测试结果表明方案可行。结合产品设计五要素进行智能化光纤光栅解调系统产品创新设计,并完成产品用户体验设计评价。

关键词： 广义Gilson-Pickering方程   整合分数阶Schr(?)dinger系统   动力系统法   相图分支   孤立波解  

摘要： 非线性波动现象广泛存在于自然界中,描述这些自然现象的模型是非线性波动方程,非线性波动方程的精确解能很好地反映非线性波动现象的特征与发展演化规律.本文研究了两类非线性波动方程:广义Gilson-Pickering方程和广义(2+1)维整合分数阶Schr(?)dinger系统.利用动力系统法得到了以上两类非线性波动方程的一些新精确解.全文共分为如下四章:在第一章中,我们介绍了本文的研究方法、研究内容和主要结果.在第二章中,首先,我们利用行波变换和奇行波方程理论将广义Gilson-Pickering方程的平面动力系统转化为对应的正则系统.其次,采用平面动力系统理论分析对应的正则系统的平衡点类型,并画出不同参数条件下的相图分支.最后,在不同参数条件下,给出了广义Gilson-Pickering方程的行波解,包括孤立波解、不可数无穷多破缺波解、光滑周期波解、非光滑周期尖波解、尖孤子解、扭结波解和反扭结波解.在第三章中,我们利用分数阶复变换将广义(2+1)维整合分数阶Schr(?)dinger系统转化为对应的Hamilton系统及其首次积分.其次,采用平面动力系统理论分析对应的Hamilton系统的平衡点类型,并画出不同参数条件下的相图分支.最后,沿不同轨道积分得到了系统行波解的表达式包括孤立波解、周期波解、奇异周期波解、奇异波解、扭结波和反扭结波解.在第四章中,总结全文并提出今后可进一步探究的问题.

关键词： 光纤布拉格光栅   再生光纤布拉格光栅   高温传感   温度传感器  

摘要： 光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)是一种广泛应用于传感和通信领域的光无源器件。然而,普通I型FBG在高于300℃的环境下工作时,折射率的周期性调制会逐渐消失而失去传感能力,这限制了其在能源、冶炼、航空航天等行业中的应用。目前,已知高温退火I型FBG可以使其擦除后再生,得到的再生光纤布拉格光栅(Regenerated Fiber Bragg Grating,RFBG)可以有效地避免热衰退现象从而弥补FBG在高温传感领域的局限性。然而,通过高温退火制作出的RFBG通常存在再生率低、力学性能差等问题。本文主要针对RFBG存在的局限性,以研制高再生率RFBG应用于高温传感为研究目标,围绕着FBG的刻写,RFBG的制作、封装以及应用展开了研究,主要工作如下:(1)针对种子FBG的制作问题,基于248 nm准分子激光器搭建了一套相位掩模法刻写FBG的光学系统,研究了FBG紫外曝光过程中的光谱演变以及栅区长度、施加预应力对FBG光谱特性的影响,实现了高性能FBG的制备;使用一块相位掩模板制作出了多个中心波长的FBG,解决了相位掩模法制备FBG成本高的问题。(2)针对RFBG再生率低的问题,探究了种子FBG退火过程中的光谱演变过程,对比分析了保温条件对RFBG再生率的影响,综合石英相变规律、应力松弛理论和RFBG的X射线衍射结果,分析并讨论了石英相变过程中体积膨胀所引发的不规则结晶对RFBG再生率的影响。结果表明,石英的相变温度点为575℃和870℃,RFBG在此条件下保温具有最高的再生率。通过改进原有的均匀升温退火方式,提出了一种RFBG非均匀升温退火方法,成功制作出了再生率高达81.8%的RFBG,进一步对其性能测试发现,高再生率RFBG同样拥有更高的力学性能、工作寿命与稳定性。(3)为解决RFBG力学性能差的问题,设计并制作了管式和球式封装结构的RFBG温度传感器,探究了两种传感器在高温环境下的温度传感特性与稳定性。结果显示,管式温度传感器的温度分辨率更高,球式温度传感器高温稳定性更好。利用RFBG阵列实现了圆柱体金属容器内壁的温度分布的监测,验证了RFBG用于高温场景下温度监测的可行性。