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关键词： 光纤光栅   双波长差分解调   微控制器   集成化  

摘要： 近年来,由于光纤光栅具有抗电磁干扰能力、体积小、耐腐蚀、传输损耗小等优点,已被广泛使用在光纤传感领域当中,并对光纤光栅信号处理系统的解调精度、处理速度以及成本提出了更高的要求。针对现有光纤光栅信号处理系统的解调精度低、速度慢、成本昂贵和体积较大的问题,本文开展基于双波长差分解调的光纤光栅信号处理系统研究,并设计了基于双波长差分解调的光纤光栅信号处理系统,该系统使用微控制器、现场可编程门阵列等器件实现了高精度、集成化、小型化以及低成本的目标。主要研究内容如下:1.详细分析了双波长差分解调的光纤光栅信号处理系统性能。通过理论仿真分析双波长差分解调法的灵敏度、线性范围、空间分辨率和温度分辨率,仿真结果表明测量范围会随着温度分辨率增大而变小。2.设计光纤光栅信号处理系统的硬件部分。该系统将激光器、探测器、ADC、微控制器和现场可编程门阵列等器件进行集成化设计,该系统具有小型化、低成本、高精度特点。硬件设计中包含了光纤光栅信号处理系统供电设计、激光驱动设计、探测系统设计、数字系统设计和PCB设计。其中在探测系统设计通过设计跨阻放大电路、反相放大电路和单端转差分电路使得输出信号符合实验需求。硬件设计是整个系统的基础与重点,也是系统各功能实现的前提。3.实现了光纤光栅信号处理系统数字逻辑设计、软件编写及系统调试。该系统可以实现人机交互、算法处理、数据传输及存储等功能。该系统在低成本的情况下实现高精度实时传感和测量。4.测试所设计的光纤光栅信号处理系统的温度分辨率和空间分辨率。在温度分辨率测试中,当入射激光波长差为0.50 nm时,该系统达到0.09℃的温度分辨率;在空间分辨率测试中,系统达到了5 m的空间分辨率,同时该系统的测量距离最远可达10 km。

关键词： 柔性光纤皮肤   全同弱反射光栅   PDMS   分布式传感   温度  

摘要： 温度在各种场景中均是需要被我们感知的异常重要的物理量,用于可穿戴的柔性仿生皮肤温度传感器目前绝大多数是基于电子元器件,存在着柔韧性差、检测温度范围受限严重、不适宜恶劣的电磁环境等瓶颈难题。针对基于电子元器件的柔性仿生皮肤温度检测中所存在的局限性和柔性仿生皮肤为适应各种智能机器装置亟需向着轻便小巧、稳定且高灵敏度的发展诉求,因此,本文基于耦合模理论,深入分析了基于全同弱反射光栅的柔性传感器的温度特性。主要研究内容如下。首先,介绍了课题的研究背景及意义,分析了柔性仿生皮肤温度传感研究的现状,并介绍了多种柔性仿生皮肤的温度传感器制备方法、传感原理及其优缺点,对本文研究内容进行总体的阐述。其次,研究了基于全同弱反射光栅的传感特性,基于耦合模理论建立了全同弱反射光栅的等效模型,并分析了其模型的基本光学性质、传输特性以及复用因素。再次,设计了基于全同弱反射布拉格光栅温度传感单元,具体包括温度传感单元的排布设计,仿真研究并建立了全同弱反射光栅的温度传感模型,并通过实验研究了全同弱反射光栅的中心波长漂移与温度变化的关系。最后,重点研究了柔性温度传感器的制备及温度特性,研究了基于全同弱反射光栅柔性传感器的封装及增敏材料——聚二甲基硅氧烷(PDMS)的热传导特性,并构建不同的柔性温度传感器,对传感器的温度特性,包括其灵敏度、线性度、可重复性,进行了多组、多次的实验研究。

关键词： 光纤法珀腔   光纤光栅   复合传感器解调   温压同步测量  

摘要： 光纤传感器有着显著的抗电磁干扰特性,能够实现核磁共振、CT等强电磁环境下的持续不间断医疗监测,且其小尺寸、高精度、具备生物相容性的特点能够满足植入式医学监测的要求。利用光纤光栅和法珀腔的复合结构能够实现压力和温度的同步监测,将其应用在生物医学中,同时对生物体的压力和温度进行监测,可以提供重要的生理信息和疾病诊断依据,诊断和评估多种疾病。本文主要研究工作如下:本文以法珀腔(FPI)和光纤布拉格光栅(FBG)复合光纤传感器为研究对象,首先分析了传感器的工作原理与结构特性,根据多光束干涉原理仿真了法珀腔的干涉光谱,分析了法珀腔腔长对输出压力信号的影响。根据光纤光栅传感原理仿真了布拉格光栅反射光谱,分析了光栅中心波长对输出温度信号的影响。并针对传感器结构的压力-温度交叉敏感进行分析。搭建FBG-FPI复合传感器解调系统,解调系统包括解调系统光路设计、解调系统电路设计和解调系统算法实现。在光路设计部分进行解调光路搭建和光谱仪驱动。在电路设计部分基于STM32进行电源转换电路设计、AD采样电路设计、串口通信电路设计。解调算法设计包括对光源进行光谱校正,采用互相关法对法珀腔进行腔长求解,采用质心法对光纤光栅进行波长求解,以及对求解结果进行升余弦滤波。使用C++语言对解调系统的算法进行仿真并进行上位机交互界面的设计,实现了法珀腔腔长和布拉格光栅中心波长的解调及同步动态显示。基于解调系统,搭建温度压力复合测试平台,对传感器进行22-43℃、750-900mmHg范围内温度、压力标定和测试,确定了传感器的主要性能指标,其中压力灵敏度优于2.3nm/mmHg,线性度不低于0.999,温度灵敏度优于10pm/℃,线性度不低于0.992。针对传感器压力-温度交叉敏感特性,设计了法珀腔腔长的温度补偿算法,实现了压力与温度的准确测量。

关键词： 量子点发光二极管   内光提取结构   纳米球   光散射  

摘要： 量子点发光二极管(QLED)具有色纯度高、工作寿命长、制备成本低、稳定性好等优点,有望发展成为新一代照明和显示技术,虽然QLED器件的内量子效率已经接近100%,但由于器件中存在多种光损耗,比如,波导模式、表面等离子体激元模式以及基底模式光损耗,导致QLED器件的最大外量子效率(EQE)被限制在20%左右,其中器件内的波导模式光损耗约占36.7%,并且促进在器件中的光最终转化为热,降低QLED器件稳定性,不利于高性能QLED器件的构筑和实际应用。因此,发展高效的QLED器件光提取技术,对提升QLED器件出光效率和稳定性具有重要意义和应用价值。在器件内部嵌入光栅、表面波纹等微纳米结构,能够降低氧化铟锡(ITO)ITO电极与有机层界面处光的全反射,提取器件内的波导模式光,是提高QLED器件内光提取效率的有效方法。但常用的微加工技术制备内光提取结构的方法如光刻、蚀刻等,还存在工艺较为复杂,强角度依赖性,器件电学性能降低等问题。本论文通过一步旋涂技术,在功能层界面处嵌入聚苯乙烯(PS)纳米球和介孔二氧化硅(Si O)纳米球改变功能层界面结构,该内光提取结构能改变出射光线传播路径,提取QLED器件中波导模式光,从而提高QLED器件的出光效率。通过改变纳米球在聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)空穴注入层的占空比、粒径及折射率等参数,研究了纳米结构对薄膜光学性质、器件电学性质及电致发光性能的影响及其调控规律,大幅提升了内光提取效率,其中绿色器件的外量子效率提高了67%,为提高QLED器件的发光性能提供了一种高效的方法。本论文的主要工作内容分为以下两部分:(1)嵌入PEDOT:PSS薄膜中的无序纳米球对薄膜性能影响研究了粒径为30、50和100 nm的PS纳米球对空穴注入层PEDOT:PSS和空穴传输层聚[(9,9-二辛基芴-2,7-二基)-共-(4,4′-(N-(4-仲丁基苯基)二苯胺)](TFB)薄膜形貌的调控作用,其中粒径为30和50 nm的PS球不会影响量子点层结构,而粒径为100 nm的PS球会改变量子点层形貌;研究了固含量为5 wt%的30和50 nm PS球溶液与PEDOT:PSS溶液的体积比对量子点薄膜光致发光性能的影响规律,当溶液体积比为5.7%时,50 nm PS球可以将红、绿、蓝三色量子点薄膜的光致发光强度分别提升43%、39%、23%;探索了嵌入功能层的PS球的粒径对器件电学性能的影响,其中粒径为30和50nm的PS球不会对器件电学性能产生较大影响,而粒径为100 nm的PS球在器件中会造成严重的漏电流。(2)纳米球内光提取结构对器件发光性能的调控作用研究了嵌入功能层的PS球的粒径对QLED器件电学性能和电致发光性能的调控作用,其中粒径为50nm的PS球可将绿色QLED器件的峰值EQE提高47%,达到14.4%;分析研究了固含量为5 wt%的50 nm PS球溶液与PEDOT:PSS溶液的体积比对QLED器件性能的调控作用,当溶液体积比为5.7%时,PEDOT:PSS膜中PS球占空比为4.1%,内光提取结构能够将绿色QLED器件的峰值EQE提升67%,达到16.36%;接着探究了50 nm PS球对红、蓝色QLED器件性能的影响,当溶液体积比为5.7%时,PS球占空比为4.1%,可将红色器件的峰值EQE提高35%,达到24.76%,当溶液体积比为7.0%时,PS球占空比为6.2%,可将蓝色器件的峰值EQE从4.88%提升到5.73%,提高了17%。分析了嵌入功能层的纳米结构对器件发光角度特征的影响。研究了低折射率(1.46)的介孔Si O纳米球内光提取结构对蓝色器件性能的影响,当50 nm介孔Si O溶液与PEDOT:PSS溶液的体积比为4.3%时,可进一步提高蓝色器件的峰值EQE,从4.27%提升到5.63%,提高了32%。

关键词： 光学电流传感器   磁致旋光效应   马吕斯定律   光强检测模式   线偏振光  

摘要： 由于传统电磁式传感器体积较大导致的成本高、绝缘的要求高且存在铁磁谐振,磁饱和现象严重等缺点,逐渐暴露出与电网发展不匹配的现象。与传统电磁式电流传感器相比,光学电流传感器主要采用光学传感技术,具备结构简单、绝缘等级高、抗干扰能力好、响应时间快且信号数字化等一系列优势,已成为中国智能电网新一次技术的研发重点。目前主流的光学电流传感器主要是基于磁致旋光效应,通过采用光强检测模式测量磁致旋光角来达到电流测量的目的。然而,该测量模式必须将磁致旋光角控制在极小的角度范围内,从而利用正弦函数的等价无穷小性质以达到近似线性测量。因此,本文的研究目的是探索基于光强检测模式的光学电流传感器中磁致旋光角的解调方法,以解决近似线性测量方法存在的电流测量误差大和范围受限等问题,以期降低电流的测量误差,克服电流测量范围的限制并且实现电流的线性测量。首先,对偏振光的特性,一般的数学描述方法以及特殊偏振光和偏振器件的矩阵形式进行了分析。然后利用矩阵分析了磁致旋光效应的产生机制以及磁光型光学电流传感器的原理和基本结构,进而导出磁光型光学电流传感器的输出光强信号方程,并采用单光路检测法对包含磁致旋光角信息的输出光强信号进行处理。为进一步开展基于积分重构磁致旋光角的电流测量以及基于偏振分束器改变线偏振光偏振方向减小菲涅尔效应对非互易性磁致旋光角的影响奠定了理论研究基础。其次,针对光强检测模式中磁致旋光角的近似线性测量问题,提出了一种基于积分重构磁致旋光角的电流测量方法。该方法通过对包含磁致旋光角的正弦信号进行求导,并利用三角同等变形消除导数中的余弦项,最后采用积分重构磁致旋光角,从而实现电流的测量。实验结果表明,在0.20 Arms～2.40 Arms的电流范围内,积分重构法的电流值测量误差小于1.30%,并且磁致旋光角与电流有良好的线性关系,其线性度为99.987%。与近似线性测量方法相比,积分重构方法减小了电流的测量误差。最后,针对菲涅尔效应在反射光路中对非互易性磁致旋光角测量带来的误差,提出了一种基于偏振分束器改变线偏光偏振方向来减小菲涅尔效应的方法。该方法主要通过利用偏振分束器分离出氦氖激光器管内由于镜面多层镀膜各向异性产生的垂直线偏振光,并将垂直线偏振光入射到分光片上,从而通过改变入射线偏光的偏振方向来减小反射过程中菲涅耳效应对非互易性磁致旋光角测量带来的误差。实验结果表明,通过改变入射线偏光的偏振方向减小了菲涅尔效应对法拉第磁致旋光效应非互易性的影响,实现了磁致旋光角的倍增。同时,与直通式光路结构相比,反射光路通过利用磁致旋光角的非互易性提高了电流的测量灵敏度,同时降低了电流的测量误差。

关键词： Transfer functions  

摘要： 远场头相关传输函数(HRTF)随声源方向、频率以及个体变化。完整HRTF的数据量很大,且测量或计算每个人的高方向分辨率HRTF是很困难的。本文提出一种从少量方向的测量或计算重构高方向分辨率HRTF的方法。基于HRTF张量分解,远场HRTF可分解为方向模态、频率模态和少量个体模态的张量组合。通过对已有的基线HRTF数据库进行统计分析,可得到与个体无关的方向模态矩阵和频率模态矩阵。而对于任何新的个体,只要少量方向的测量或计算HRTF即可估计出个体模态的变化,并重构出高方向分辨率的HRTF数据。对两个HRTF数据库的计算表明,采用11个个体模态即可表示超过98%的个体相关的HRTF能量变化,并从大约30个方向的测量或计算HRTF重构出高方向分辨率的HRTF幅度。心理声学实验验证了提出的方法。该方法可用于简化个性化HRTF的测量或计算。

关键词： 长周期光纤光栅   光纤传感   螺旋结构   微锥   耦合模理论  

摘要： 光纤传感技术的发展对于光纤通信网络的建设至关重要。目前的光纤传感器大多都是基于特种光纤进行设计来实现器件的功能多样化以及高灵敏度的性能改进,虽然特种光纤有着较为特殊的结构和独特的光学特性,但是也有着成本较高、模式的激发难以控制、器件制造流程复杂的局限性。相比之下单模光纤结构简单、成本低廉。可以通过多种结构加工技术实现对单模光纤传感器结构的设计与创新,使单模光纤传感器满足不同使用环境下的传感需求。因此单模光纤仍在当今光纤传感领域占有一席之地。长周期光纤光栅是一种典型的无源器件,有着宽带宽、高灵敏度等优点。若以单模光纤为载体,通过光栅制造工艺的改进可以实现具有独特功能的光纤传感器。本论文基于单模光纤设计了功能不同的多种传感器,并从原理分析和实验测量两方面对器件的传感特性进行了较为深入的研究。本论文的主要工作包括:1.基于单模光纤设计了微锥型长周期光纤光栅传感器。制备长周期光纤光栅时对单模光纤预施加轴向拉力来产生微锥结构,微锥结构的叠加构成了长周期光纤光栅。实验结果表明,该传感结构在谐振峰波长处激发了LP模式,还可以根据谐振峰变化情况识别扭转方向,灵敏度高达-0.2087 nm/(rad·m)。2.在微锥制造过程中通过引入扭转量制造出微螺旋锥长周期光纤光栅。该传感结构相比普通微锥长周期光纤光栅有着较高的轴向应变灵敏度,实验结果表明在0～3500με范围内的轴向应变灵敏灵敏度为-3.478 pm/με(0.001624 d B/με)。对比未扭转的微锥型光栅,灵敏度有着明显的提高。3.在微螺旋锥的基础上引入啁啾函数排布设计了微螺旋锥型啁啾长周期光纤光栅物理形变传感器。啁啾结构的引入与微螺旋锥的分布有利于包层模式的激发并提高器件的集成度。实验结果表明,该传感器不仅具有高的扭转、轴向应变和弯曲灵敏度(-0.1575nm/(rad·m)、-0.006846 nm/με和-10.62 nm/m)。此外其还有较低的温度灵敏度(0.04330nm/°C)。

关键词： 撞击定位   光纤布拉格光栅   敏感范围   阵列布置  

摘要： 航空航天器设备在飞行过程中常常会受到其它物体撞击,例如飞行碎片、冰雹、鸟类和弹击等,导致设备表面或内部出现损伤。如果可以及时定位撞击位置,在设备后期大面积检修时,可以极大提高检测效率。航空航天设备大部分是由铝合金材料制作而成的。光纤布拉格光栅(FBG)传感器因为易于组网、抗电磁干扰等优点被大量使用在航空航天设备的健康监测中。目前FBG传感器阵列粘贴于铝合金结构表面进行撞击监测正在被广泛使用,但大部分研究中未考虑到传感器的敏感特性和敏感范围,只是简单的将敏感范围视为正方形,随后利用正方形的紧密布置特性来完成传感器阵列的布置设计,造成传感器利用率低、定位结果不准确题等问题。因此,本文基于FBG传感原理,研究FBG传感器在撞击载荷作用下的应变传递特性,重点针对铝合金材料撞击定位问题展开深入研究,提出撞击定位中FBG传感阵列的布置优化方法。首先本文介绍了撞击定位中使用到的传感器以及这些传感器的研究现状,提出撞击定位的准确度和传感器的布置位置和数量有着很大的关系,对目前撞击定位中FBG传感器网络的布置进行总结。其次使用仿真软件进行钢球撞击铝合金板的过程仿真,以铝合金板背面正中心位置处10mm处代表FBG传感器的位置,记录该位置处的应变分布情况。分析FBG传感器应变传递特性,得出FBG传感器的敏感范围。依据此敏感范围提出四种FBG传感器阵列粘贴方案,撞击仿真模型中的样本点,记录传感器位置处的应变数据并对其进行小波包分解,提取各频段能量特征向量并建立样本库。取参考点附近不同距离的点作为测试点进行撞击,这些距离可以代替实际撞击过程中引入的误差影响,比较测试点与样本点之间的相似度,确定测试点定位位置,可以比较不同误差下四种布置方式的定位准确性。最后,进行钢球撞击铝合金板实验,对FBG传感器从不同距离和不同角度进行撞击实验,验证传感器的在各个方向上的应变传递特性和敏感范围。建立样本库,对撞击后的信号去除基频干扰,利用小波包分解技术以及小波包信号幅值能量特征提取方法进行相似度比较,对比四种粘贴方案定位结果的准确性,为后续其它材料的撞击定位研究奠定基础。

关键词： 超短脉冲光纤激光器   啁啾布拉格光纤光栅   相位掩模板   脉冲展宽   色散调节  

摘要： 超短脉冲光纤激光器得益于光纤作为增益介质具有散热性好、环境稳定性高、光束质量好、光电转换效率高等优点，逐渐在生物医疗、工业加工、科学研究等领域得到广泛应用。然而，光纤中非线性效应的存在制约了输出功率的提升。为解决这个问题，研究人员提出了啁啾脉冲放大（ChirpedPulseAmplification,CPA）技术。CPA技术的核心在于展宽器和压缩器。为了实现全光纤化的超短脉冲激光器的研制，关键在于全光纤化的展宽器和压缩器。光纤光栅具备色散管理能力，并且有全兼容于光纤的特点，是一种实现展宽器和压缩器全光纤化的方法。因此，本文将展开对用于脉冲展宽与压缩的光纤光栅技术的研究。　　为准确设计出特定色散量的光纤光栅，本文首先从光纤光栅的基本结构出发，推导出光纤光栅的色散公式。根据均匀光纤光栅的模式耦合理论，通过传输矩阵法得到了啁啾布拉格光纤光栅（ChirpedFiberBraggGrating，CFBG）的数学模型。仿真得到了光纤光栅的反射谱、透射谱与时延曲线，并探究了切趾函数、啁啾率、光栅长度、折射率调制深度等光纤光栅结构参数对图谱特性与时延曲线的影响。同时，结合模式耦合理论与傅里叶频谱变换方程，计算了光纤光栅的脉冲响应特性。最终设计并得到了用于CPA系统中能够实现脉冲展宽的CFBG和脉冲压缩的CFBG。　　为了精确刻写出用于脉冲展宽和压缩的CFBG，本文首先根据光栅的数学模型与设计参数，并结合相位掩模板的刻写机理，对相位掩模板的参数进行设计，得到用于CFBG刻写的相位掩模板;搭建了基于紫外光刻相位掩模的CFBG扫描刻写系统;在刻写过程中，探究了切趾、扫描长度、啁啾率、曝光时间、紫外光功率等刻写参数对光纤光栅图谱特性的影响;同时，针对目前特定参数的光纤光栅刻写完成后不具备色散调节能力的问题，本文提出了利用半导体制冷器（ThermoElectricCooler，TEC）板对光栅的温度进行调节，通过探究温度分布及温度设置规律，使光栅具备了动态及灵活的色散调节能力。　　为了验证所研制的CFBG的脉冲展宽能力和压缩能力，搭建了CPA测试系统，对CFBG展宽器、CFBG压缩器和温控型CFBG进行测试。测试了4根CFBG用于验证脉冲展宽能力和压缩能力。实验结果表明自制CFBG展宽器的展宽比能够达到185.4倍，自制CFBG压缩器具有98.9%的压缩效率，通过温度控制的方法使CFBG展宽器具备了三阶色散调节能力，将输出脉冲从4.059ps优化至3.640ps。综上，自制CFBG具备很好的脉冲展宽能力和压缩能力，施加温度控制使CFBG具备了色散动态调节能力，为实现全光纤化的CPA系统解决关键器件的问题。

关键词： 鲁棒张量完备化   校正函数   凸函数的差(DC)   全变分  

摘要： 在如今的大数据时代,高维数据广泛存在于科学研究和社会生活的各个领域,张量作为向量和矩阵的高阶推广能够更为自然地表征高维数据.然而在数据采集和传输的过程中,由于各种不可预测或不可避免的因素,张量数据经常面临着丢失和受到噪音污染等问题,这使得张量的应用受到了很大的限制,因而如何从不完整和被损坏的数据中恢复出原始张量数据便逐渐成为了一个研究热点.本文重点研究如何从带有脉冲噪声污染且数据有丢失的观察值中恢复出低秩张量的鲁棒张量完备化问题,主要内容如下: 首先,本文对非凸鲁棒张量完备化模型中的校正函数进行了深入研究.鲁棒张量完备化问题广泛使用的凸松弛模型是最小化tubal核范数和l范数的加权组合.进一步地,目前研究已表明对张量tubal核范数和l范数施加非凸校正会有更好的恢复效果.本文首先以非凸校正模型BCNRTC为切入点,分别从MCP函数,SCAD函数,Transformdl函数,Logarithmic函数出发,构造不同的校正函数,通过数值实验,对比MPSNR值,低秩项误差界d和稀疏项误差界d,可以发现由MCP函数出发构造的校正函数的恢复效果要优于其他函数,这为在后面的模型中继续选用MCP函数做非凸校正提供了一定的理论依据. 紧接着,本文提出了新的带全变分项的非凸鲁棒张量完备化模型.目前针对鲁棒张量完备化问题主流模型之间的主要区别在于核范数的选取,亦或是对核范数或l范数进行非凸校正,但均未考虑到图像边缘的保留问题.为克服此缺点,并结合前述发现,本文提出最小化tubal核范数,l范数和张量各向异性全变分的加权组合,并对前两项施加与MCP函数有关非凸校正,由此构造了NCRTC-TV模型.而后,基于对tubal核范数和l范数添加非凸校正项可以有效提高模型效果的结论,尝试对全变分项也施加非凸校正,由此出发构造了NCRTC-TV模型.此外,由于对张量的各向异性全变分施加权重能够更好地利用光谱特性,所以也可考虑对全变分项施加权重,由此出发构造了NCRTC-TV模型. 最后,本文设计了合适的算法来求解上述模型,并进行了相关数值运算.针对前述三种模型,选用邻近优化最小化算法（Proximal Majorization-Minimization,PMM）线性化凹项来求解,然后利用对称高斯赛德尔交替方向乘子法（symmetric Gauss-Seidel based Alternating Direction Method of Multipliers,s GS-ADMM）去解决子问题,称其为PMM-s GSADMM算法.随后根据KL性质证明了所提算法的全局收敛性.通过数值计算发现,相比原NCRTC-TV模型,后两种松弛都能够提供更好的恢复效果,且NCRTC-TV的表现更好.进一步地,本文选择将NCRTC-TV模型与目前在张量恢复领域表现较为优异的几个模型进行了对比实验,结果表明,本文所提出的模型优于对比的其他方法.