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关键词： 光纤布拉格光栅   温度传感   性能衰退   再生光栅   温度灵敏系数  

摘要： 光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)不仅具有体积小、易复用、抗电磁干扰、成本低等优点,并且能够对温度和应变等物理参量进行精准测量,因此被认为是一种可靠的理想传感器件,广泛应用于航空航天、石油化工、电力工程等领域的器件监测中,并具有良好的发展前景。在实际工程中,FBG往往长期处于恶劣的工作环境中,但FBG的结构并不具有永久性,应力疲劳和高温都会导致FBG的传感性能发生衰退,甚至会完全失效,无法继续对监测对象进行准确监测。本文从温度角度出发,对热导致FBG性能衰退问题展开分析和探究。首先分析发生性能衰退的FBG如何影响整个传感系统的正常工作;其次基于光纤材料的电偶极子对模型对FBG的热至衰退机理展开分析,建立了FBG的热衰退理论模型,并推导出高温环境下光栅峰值反射率与工作时间的定性关系,从而对不同温度下FBG的寿命周期进行粗略预测。最后对几种常见耐高温FBG的优缺点进行阐述,并分析了退火温度与光栅再生过程的定性关系,同时对在不同退火温度下制备的再生光栅进行温度传感实验。结果表明经过高温退火后FBG无论在常温还是高温的工作环境中,性能均没有发生衰退现象具有一定的稳定性,且中心波长与温度具有良好的线性关系。通过数据比对分析发现:FBG的退火温度越高其稳定后的温度灵敏系数越大。故推论:退火温度升高将导致光栅的内应力松弛严重从而影响FBG的有效折射率,因此适当提高退火温度能够达到增敏效果。

关键词： 光纤湿度传感器   导模共振   湿度   纳米压印  

摘要： 湿度,一般用于表征空气中的水分含量,在环境监测、农业和仓储等多个领域都需要有精确的测量结果。光纤湿度传感器由于其无源、体积小、抗电磁干扰等特性也被广泛应用于湿度传感领域。目前,光纤湿度传感器的难题主要有测量范围窄、灵敏度不高、温湿度交叉干扰等问题。基于上述难题,本文所做的研究内容如下:(1)为了实现湿度传感的高性能测量,设计并实现了一种基于单层导模共振(Guided mode resonance,GMR)波导光栅的光纤湿度传感器。本文使用纳米压印工艺制备了共振波长一致性良好的GMR波导光栅膜片,并在其表面涂覆聚酰亚胺(PI)作为湿敏材料,最后将膜片与石英光纤封装制备成光纤湿度传感器,实现了测量范围广、温度不敏感、稳定性高、重复性良好等传感特性。实验结果表明,该结构的湿度传感器在10%-90%RH湿度范围内湿度灵敏度为51.5pm/%RH,温度灵敏度为6pm/℃,湿度重复性测量误差小于1%RH。(2)为了实现湿度传感的更高灵敏度的测量,设计并实现了光谱具有更窄线宽的双层GMR波导光栅的光纤湿度传感器。仿真分析双层波导光栅的性质,并研究了不同光栅参数、不同间距和不同夹角对双层GMR效应的影响,基于此制备了对称型双层GMR波导光栅光纤湿度传感器。实验结果表明,基于双层GMR结构的光纤湿度传感器在10%-90%RH湿度范围内,湿度灵敏度从单层结构的51.5pm/%RH提高至72.5pm/%RH,温度灵敏度为8.6pm/℃,湿度重复性测量误差小于1%RH。本文从结构设计、仿真、封装和实验测试出发,研究了基于纳米压印GMR波导光栅的传感特性,并验证了在湿度传感的可行性,为进一步实际工况应用奠定了基础。

关键词： 波动方程   黏性阻尼   一致指数稳定性   状态重构  

摘要： 波动方程是一种重要的偏微分方程, 主要描述自然界中的各种振动现象, 研究波动方程的稳定性具有重要意义. 波动方程的状态重构在数学、工程和医学等领域有重要应用, 是值得深入研究和讨论的问题. 而对于分布参数控制系统来说,由于系统是由偏微分方程或偏微分方程组描绘, 数值逼近问题不但具有很大难度, 而且还有与有限维控制系统不同的新问题出现. 为了将复杂的控制问题在工程上实现, 波方程的边界控制的数值逼近研究逐渐受到数学家、控制学家和工程技术人员的广泛关注.　　本文利用Lyapunov函数法和降阶差分法将简单波方程的一致稳定性结果推广到具有一般黏性控制和边界观测的一维波动方程上去. 先将port-Hamiltonian理论和有限差分格式相结合, 得到一种降阶型差分格式, 利用与连续系统同样的验证方法得到离散系统的一致指数稳定性. 此外, 通过有限时间的输出观测信息,以向前-向后观测器为基础的时间反转法用于相应能量守恒系统的状态重构, 给出上述方法的数值逼近格式和收敛于初值的迭代序列. 对于任何初始猜想值, 迭代序列都强收敛到初值, 进而实现状态重构的数值逼近.

关键词： 铌酸锂薄膜   光开关   电光效应   光波导   马赫-曾德尔干涉仪  

摘要： 光开关作为光通信和光信息处理系统的关键器件之一,在数据中心、传感、量子计算等领域都扮演着重要角色。为了满足相关领域日益增长的需求,迫切需要具有小尺寸、高速、低功耗的高性能光开关。在诸多光学材料平台中,铌酸锂薄膜(Lithium Niobate on Insulator,LNOI)既保留了铌酸锂晶体优良的电光特性,又能实现高折射率差的波导,非常适合用来制作结构紧凑的高速电光开关。而对于马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)型光开关来说,保证3 d B耦合器均匀分光和两条相移臂完全相同是实现其高性能的必要条件,但在实际制作过程中,由于工艺误差不可避免,很难保证器件的尺寸完全符合设计值。针对这些问题,本文基于LNOI平台对MZI型电光开关作了一系列的研究,主要内容如下:1.阐述了光开关的研究背景及意义,并介绍了国内外关于铌酸锂光开关的研究进展;然后介绍了MZI型LNOI电光开关涉及到的理论基础,包括脊形波导的分析方法、铌酸锂晶体的电光效应、电光开关的主要性能指标、MZI型电光开关的工作原理和多模干涉(Multimode Interferometer,MMI)耦合器的自映像效应等。2.提出了一种基于LNOI的宽带、低随机相位误差的光开关。该光开关采用了3 d B耦合器为2×2 MMI的MZI结构,并通过把相移臂波导适当加宽为少模波导来降低两臂之间的随机相位误差。论文对所提出的光开关作了详细的分析和系统的设计,并进行了实验制作与测试。结果表明,制作的光开关位于低串扰的初始工作状态,实现了低随机相位误差;其开关电压约为7.3 V,可以实现上升时间约为134.4 ns和下降时间约为8.8 ns的开关响应速度;此外,在1530 nm-1605 nm的波长范围内,开关消光比大于16 d B,串扰小于-16 d B,具有较宽的光学带宽。3.提出了一种基于LNOI的MMI分光比可调的MZI型光开关。通过加长该光开关输入端的MMI多模波导长度,并在其上方放置调谐电极,从而利用铌酸锂的电光效应来调整MMI的分光比,在一定程度上弥补因制作误差所导致的分光比恶化。对具有调谐电极的MMI的测试结果表明,电光调谐可以在一定程度上改变MMI的分光比。实验结果表明,MMI分光比可调的光开关在一定程度上改善了开关的初始工作状态,而且在1530 nm-1605 nm的宽带范围内,实现了大于11 d B的消光比和小于-11 d B的串扰;其开关电压约为5.6 V,上升时间约为85.3 ns,下降时间约为13.5 ns,可以实现高速开关操作。

关键词： 双缝干涉   自制教具   实验改进  

摘要： “用双缝干涉测量光的波长”实验是学生了解光的干涉现象、掌握光的波动特性的重要实验。但是教材上的实验装置存在诸多不足，使用改进后的实验装置能较好地完成测量任务，在潜移默化中提升了学生的物理核心素养，也是创新精神的具体表现。

关键词： 波束形成   少模光纤布拉格光栅   光子灯笼   模分复用   真时延迟  

摘要： 波束形成是阵列信号处理和智能天线系统的关键技术,是构建雷达系统和无线通信系统的核心单元,在移动通信、卫星通信、深海深空探测、医学影像诊断和电子干扰侦察等领域有着广泛应用。基于光真时延迟技术的波束形成系统由于采用光学方法实现微波光子移相,解决了因“孔径效应”导致的系统带宽受限问题,同时兼具低损耗、抗电磁干扰等优势,使其成为了学术界与工业界的研究热点。目前,光控波束形成系统的主流技术有开关矩阵、色散等技术,均与波分复用技术结合实现信号间的时间延迟。但系统需要大规模的激光器阵列,成本高昂;此外,先进的光控波束形成系统应具备二维扫描特性,这意味着系统需要两级延时单元以实现俯仰角与方位角的扫描,系统的结构复杂性与体积显著增大。因此,研究低成本、轻量化的二维光控波束形成系统具有重要的应用价值和实际意义。本文紧紧围绕波束形成系统的成本及轻量化问题,提出了基于少模光纤布拉格光栅和模分复用技术的二维光控波束形成系统。在深入分析少模光纤布拉格光栅耦合理论的基础上,设计制作了高耦合系数的少模光纤布拉格光栅;在分析了少模光纤模式正交、差分模式群时延理论的基础上,对引入模式维度和少模光纤布拉格光栅的新型光真时延迟二维波束形成系统进行了深入研究。本文的主要工作及创新点如下:1.提出了并行集成的少模光纤布拉格光栅制备方法,采用飞秒激光逐点法,制备了二阶少模光纤布拉格光栅。首先,通过COMSOL软件建立了少模光纤布拉格光栅的自耦合反射模型。然后,根据仿真结果,在同一少模光纤的纤芯区域,采用相同参数沿径向方向重复写制三次位置不同的少模光纤布拉格光栅,增大了纤芯中折射率调制区域与不同模式模场强度分布区域的重叠面积,使得高阶模式获得了较高的自耦合系数。测试结果表明,非中心对称模式在并行集成少模光纤布拉格光栅中的自耦合系数明显高于普通光栅。最后,通过实验进一步研究了光栅长度、光栅位置、激光能量、光栅阶数对并行集成少模光纤布拉格光栅的影响。结果表明,四个因素均对不同模式的自耦合反射率有较大影响。2.引入模式维度,提出了基于少模光纤布拉格光栅和单个2×2光开关的少模光纤环形延时线结构。首先,测试了不同模式之间的差分模式群时延,根据测量结果将少模光纤布拉格光栅按照不同位置写入少模光纤纤芯中,用以调整不同模式的时间延迟。其次,测试2×2光开关响应时间,根据测试结果设计了少模光纤环路的长度。最后,完成了少模光纤环形延时线的制备和测试。通过计算机控制光开关的状态切换,实现了不同模式光信号在环形延时线中0～5次的循环控制和6种等差时延分布调控。3.提出了基于少模光纤布拉格光栅和光子灯笼的二维波束形成系统。在单一波长条件下,利用光子灯笼激发空间模式,通过调整不同周期少模光纤布拉格光栅的位置,实现模式间及支路间等差时延调控,即,通过单级光真延时模块即可形成两维延时,实现二维波束扫描,极大简化了系统结构,降低了系统复杂度、体积及成本。此外,研究了不同类型光子灯笼对二维波束形成系统的影响,实验结果表明:采用非模选光子灯笼实现模式激发时,其系统的幅值抖动、波束宽度以及副瓣电平等指标明显优于基于模选光子灯笼的系统。针对系统发射功率较低的问题,测试了光的偏振态对不同模式通道输出功率的影响。实验结果表明:调整光的偏振态可以将发射功率提高2.27dB(即系统增益提高2.27dB)。在最优光偏振态条件下,搭建了基于FM-FBG和非模选光子灯笼的3×3阵列的二维波束成形系统,俯仰角与方位角的扫描范围分别可达0°～60°,0°～35°。

关键词： 时空模型   降水预报   在线学习   张量回归   频率匹配法  

摘要： 降水预报一直是气象工作者研究的热点问题之一.准确预测降水,特别是短临降水,对于指导公众的日常出行和企业运营管理具有很强的现实意义.常见的降水预报大多利用机器学习或深度学习相关算法,其不足之处在于计算模式多采用离线学习(批量学习),对数据集进行重复训练,模型训练过程的效率较低.张量作为矩阵的高阶推广,是研究多维度时空数据的有力工具.目前,使用张量模型进行短临降水预报的研究仍处于初级阶段.本文注意到张量这种数据结构,提出一种基于在线学习的短临降水预报模型.该模型能够有效刻画气象数据的实时流动性特点,以此来实现对多个站点降水的逐小时预报,并且可以对预测得到的降水量进行在线订正.首先,本文基于在线张量回归模型对多站点的逐小时降水进行预测,而预测值与实况降水值相比仍可能存在统计意义上的系统性偏差.随后,在张量回归模型计算得到逐小时降水预测值的基础上,利用频率匹配法求解动态订正系数,并在线订正以减小系统性偏差.最后,本文根据在线张量回归-频率匹配法得到短临降水预测值.在两个实际降水数据的预测实例中,本文提出的算法不仅在数据集上有效降低了短临降水预报值与实况值之间的误差,而且在晴雨分类预测的各项评价指标上都有较好的表现.

关键词： 变系数非线性波动方程   六阶显式差分格式   线性化差分格式   线性稳定性   耦合sine-Gordon方程组  

摘要： 非线性波动方程已广泛应用于各个科学和工程领域.本文研究了数值求解具有周期边界条件或Dirichlet边界条件的变系数非线性波动方程的高阶方法,提出了两种六阶显式有限差分格式.首先,针对一维变系数非线性波动方程,采用中心差分的截断误差余项修正方法离散时间二阶导数,对空间二阶导数利用六阶差分算子进行离散,得到一种非线性高阶显式(NHOE)差分格式.此格式在时间和空间方向上分别达到四阶和六阶精度.为了避免迭代并提高计算效率,将非线性源项线性化后建立了另一种线性化高阶显式(LHOE)差分格式.这个格式同样在时间上有四阶精度,在空间上有六阶精度.为了使时间精度与空间精度相匹配以及在计算时可以采用大时间步长,采用Richardson外推技术将两种格式的时间精度均提升至六阶.这样就得到了求解一维变系数非线性波动方程的两种六阶显式差分格式.随后,采用离散Fourier方法分析得知相应一维线性问题高阶差分格式的稳定性条件是vmaxτ/h∈(0,1.50].此外,将建立的这两种六阶显式差分格式成功推广至求解一维耦合sine-Gordon方程组.数值实验结果验证了两种新的六阶显式差分格式的精确性和有效性.其次,针对二维变系数非线性波动方程,采用同样的离散方法,即将时间二阶导数和空间二阶导数分别利用带截断误差余项修正的中心差分方法和六阶差分算子进行离散,得到非线性高阶显式(NHOE)差分格式,然后将非线性源项线性化后得到线性化高阶显式(LHOE)差分格式.接着利用Richardson外推公式将两种格式的时间精度均提升至六阶.通过离散Fourier分析法得知相应二维线性问题高阶差分格式的稳定性条件为vmaxτ/h ∈(0,1.0607).随后,将建立的两种六阶显式差分格式推广至求解二维耦合sine-Gordon方程组.通过数值实验验证了两种六阶显式格式的精确性和有效性.最后,将上述方法推广至三维变系数非线性波动方程,得到了相应的NHOE和LHOE格式.通过Fourier分析法得知相应三维线性问题高阶差分格式的稳定性条件为vmaxτ/h∈(0,0.8660).随后,将建立的两种六阶显式差分格式推广至求解三维耦合sine-Gordon方程组.最后对这两种新六阶显式格式的精确性和有效性进行了数值验证.

关键词： 起伏地表   复杂黄土塬区   起伏多重变网格   粘声介质   数值模拟  

摘要： 复杂黄土塬区的地震勘探工作面临着诸多挑战。地震波正演模拟有助于研究黄土塬地区的地震波传播规律和地震波场特征。以复杂黄土塬区域为例,开展数值模拟研究,分析黄土塬区域低信噪比数据形成机制对后续的偏移成像和速度反演等工作具有重要意义。复杂黄土塬区的核心问题主要聚焦于含低速层的各种复杂地形和介质的吸收衰减两方面。第一方面的研究内容主要涉及近地表复杂结构的网格剖分和起伏地表自由边界处理。第二方面的研究内容主要涉及黄土塬区Q模型的建立和粘声波动方程的求解与波场特征的分析。针对于复杂黄土塬区起伏地表的问题,提出一种起伏多重变网格有限差分波动方程数值模拟方法。该方法根据地形起伏和近地表低速层到高速层速度分布特征,进行网格加密。采用不同网格中的变系数差分格式离散声波方程,进而实现既保证波场模拟精度又兼顾计算效率的目标。同时,为了进一步保障地表附近波场模拟的精度,地表附近最细网格中的差分格式不做降阶处理,而是提出一种法向虚像外推法来实现自由地表边界条件。数值分析和计算实例表明:(1)近地表高密度的加密网格可以较为精细的刻画地形及近地表地下复杂构造,并能避免地表附近网格角点散射和近地表强非均质散射的问题;(2)算法随介质速度变化的变加密策略,增强了变网格过渡带的灵活性,进而能够更好刻画和适应黄土塬区近地表极浅层的介质分布特征;(3)变加密网格在达到和细网格基本一致的计算精度的情况下不过多的增加计算量,进而使得数值模拟能很好兼顾计算精度和效率;(4)不做降阶处理的自由地表边界条件实现策略,能进一步提高地表附近模拟精度,进而避免近地表因降阶处理而带来的数值频散问题;(5)数值实例验证了算法对典型复杂山地理论模型和实际复杂黄土塬模型的适应性和有效性。针对于复杂黄土塬区地下介质吸收衰减的问题,首先阐述粘弹性介质的物理性质;然后将起伏多重变网格有限差分法推广至粘声波方程的数值求解中,通过数值分析和计算实例验证该方法能够较好的适用于粘声介质的数值模拟。最后,结合某实际复杂黄土塬区独特的地震地质条件、近地表调查资料和地形高程数据等建立实际复杂黄土塬区速度模型和Q模型。通过数值分析和计算实例得到以下几点认识:(1)黄土介质的粘弹性质在地震波的传播上主要体现为地震波的振幅能量衰减和地震波的振幅相位移动;(2)起伏地表使得复杂黄土塬区多次波、绕射波和散射波大量发育,它们是复杂黄土塬区低信噪比数据形成的重要原因;(3)黄土塬内地震波能量积聚在近地表,下传能量较弱,这是造成部分黄土塬区深层能量弱、照明不够的重要原因;(4)由于近地表衰减效应较强,使得近地表地震数据有效信号能量低、分辨率较差,也是导致黄土塬低地震数据信噪比低的一个重要原因。本文以复杂黄土塬区为例,利用起伏地表粘声介质变网格有限差分方法对复杂黄土塬区的波场特征进行分析,并获得了一些有关复杂黄土塬区低信噪比数据形成机制的基本认识。这些特征分析和基本认识为后续黄土塬区针对性数据处理方法的研发,尤其是黄土塬区Q建模和Q补偿等数据处理方法打下了良好的基础。