课程文献中心 更多>>

关键词： 相位生成载波解调   振动传感器   光纤传感器   光纤光栅  

摘要： 光纤光栅式振动传感器相比于传统的电感式振动传感器有着众多优势,被广泛应用于各个领域,其测量精度取决于传感器信号的解调精度。相位生成载波(PGC)解调算法因其良好的动态性能常被用于光纤光栅式振动传感器的信号解调,但受到硬件的制约与环境扰动的影响,载波信号的调制深度易发生漂移,导致光纤光栅的拉伸幅值解算存在较大的误差。本文为避免调制深度对相位载波解调算法的干扰,提出了一种相位生成载波-反正切-寻峰(PGC-Arctan-FP)联合解调算法,准确解算振动引起的光纤光栅拉伸频率和幅值。搭建光纤光栅式振动传感器相位生成载波解调系统,验证所提算法的可行性。具体工作分为以下几个方面:首先,介绍了FBG振动传感器与信号解调算法的研究现状,对相位载波信号的产生方案与适用性进行详细分析,确定基于非平衡马赫增德尔干涉仪的载波调制光路。光纤光栅的反射光作为干涉仪的入射光,将传感器的中心波长变化转换为干涉仪相位变化。推导波长变化与相位变化之间的关系。其次,研究了相位生成载波解调算法。对传统相位生成载波算法中微分交叉乘算法和反正切算法进行原理推导与仿真验证,分析不同因素对解调结果的影响。针对其不足和实际需求,提出了一种PGC-Arctan-FP解调算法。该算法首先将干涉仪的输出信号分别与载波信号的基频和二倍频率相乘,经过低通滤波器,得到含有待测信息的不同幅值的正交信号。然后对其逐一寻峰,分别计算两路信号的幅值均值,将幅值均值与两路信号交叉相乘,使正交信号幅度齐平。最后进行反正切运算和高通滤波,准确解算出光纤光栅的拉伸频率和幅值。通过仿真初步验证了该算法的可行性,可以有效避免调制深度起伏对解算精度的影响。然后,设计了相位生成载波解调系统。对系统光路的关键参数进行理论计算和验证,确定干涉仪的初始臂长差以及压电陶瓷的驱动电压,调制载波信号。绘制系统电路图并焊接调试,将干涉仪输出的光信号转换为电压信号后再转换为数字信号,通过串口通信传送到上位机,在上位机中编写PGC-Arctan-FP算法,实现振动信号的解算与显示。最后,搭建了相位生成载波解调测试系统。对100～1000Hz的振动信号进行解算,振动频率解算结果与待测信号一致,振动幅值解算结果最大误差小于0.81%,本系统可以用于振动信号的精确测量。

关键词： 环形谐振腔   光学声传感   倏逝场   宽频带   高灵敏度  

摘要： 以光学技术为基础的声探测技术正朝着高灵敏度、宽频带的方向发展。传统声学传感器以振动膜片等移动部件为传感单元,受限于移动部件的机械谐振频率,导致其检测灵敏度较小和频响范围较窄。光学微腔具有高品质因子、强抗干扰性、易于小型化和集成化等优点,被广泛应用于各个领域。基于光学微腔的声传感技术,为高灵敏度、宽频带声学传感技术的发展提供了新的方向。环形谐振腔是利用微纳加工工艺制造的一种基本光学结构单元,具有很强的时空局域增强效应和频率选择效应,是提高声音传感灵敏度和拓宽频谱响应范围的有效途径。本文提出了一种基于倏逝场光波导环形谐振腔的声传感器。这种声传感器对环形谐振腔进行刻槽,所刻凹槽作为直接敏感结构以激发倏逝场。制作了一系列具有不同凹槽尺寸的谐振腔,用于对声学性能进行对比分析,响应带宽、灵敏度和信噪比等声学参数随不同凹槽引起的Q值变化而变化。本文针对以下三个方面的内容进行了研究:(1)传感原理分析声波在空气中以疏密相间的纵波向前传播,空气介质的密度会随声波的压缩与张弛而发生变化,这种变化宏观上表现为谐振频率的偏移。结合倏逝场理论、有效折射率,初步验证了环形谐振腔通过激发倏逝场检测声音信号的可实施性。(2)环形谐振腔性能参数及传感测试基于具有倏逝场的光波导环形谐振腔的声传感效应,根据之仿真结果加工了不同凹槽参数的环形谐振腔,对性能参数FWHM,Q值,ER进行了测试,并搭建实验系统,测试并比较了频响范围,灵敏度,最小可探测声压等声学性能,最后对分辨率传感进行了测试。(3)环境参数及腔长变化对声传感性能的影响对环形谐振腔声传感器的环境参数变化进行了实验测试。通过改变环境压力,测试了环形谐振腔声传感器的频率响应和灵敏度,之后通过改变环境的温湿度,测试了灵敏度的变化,最后改变腔长测试了其传感性能。

关键词： 掺铒光纤   宽带光源   少模光纤光栅   温度   应变  

摘要： 光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)能实现温度、应变、弯曲、折射率等参量的传感测量,在航空航天、土木建筑、电力系统和生物医疗等领域有着重要的应用。通常,当温度和应变同时作用于光纤布拉格光栅时,由于温度-应变交叉敏感问题,无法实现温度和应变的双参量测量,制约着光纤光栅传感器的进一步发展和应用。与FBG相比,少模光纤光栅(few-mode fiber Bragg grating,FM-FBG)具有多个反射峰,在传感领域极具潜力和应用价值。本文主要创新点和研究结果如下:(1)针对掺铒光纤放大自发辐射(amplified spontaneous emission,ASE)光源的自然输出光谱中单峰造成的窄带宽问题,通过研究各个参量对光谱的影响,优化设计了ASE光源,实现了光谱高平坦度输出。以双程后向ASE光源为对象,仿真研究了掺铒光纤长度、光纤环形镜反射系数、泵浦激光器功率及外接未泵浦尾纤长度等参数对输出光谱的影响。仿真结果表明,当掺铒光纤长度为6 m、外接未泵浦尾纤长度为2 m、光纤环形镜反射系数为99%及泵浦光功率为1 w时,获得了高平坦度的掺铒光纤ASE光源,其3 d B带宽为51.10 nm。搭建对应参数ASE光源进行了验证,未优化前宽带光源3 d B带宽为5.96 nm,优化后其3 d B带宽为50.31 nm。优化后的ASE光源能够满足光纤传感等高带宽需求的场合。(2)针对所设计的掺铒光纤ASE光源输出功率较低的问题,设计了一种双向泵浦、双程结构的ASE光源,实现了高功率、高平坦度的输出。与前向单程ASE光源相比,双向泵浦、双程结构的ASE光源泵浦效率提高了8.24%、光谱平坦度提高了1 d B、3 d B带宽增加了24.56 nm。该宽带ASE光源可应用于后续少模光纤布拉格光栅传感测量。(3)针对光纤光栅中存在的温度/应变交叉敏感问题,首先对光纤光栅(SM-FBG及FM-FBG)进行了波长-温度系数和波长-应变系数标定,实验发现,少模光纤中LP模式和LP模式的两个相关系数相差较小,限制了双参量传感时的温度和应变分辨率;随后,实验设计了FM-FBG的LP模式和SM-FBG的LP模式共同传感,其中前者受到温度和应变的共同作用,后者仅受温度作用,通过双矩阵法实现双参量测量。温度测量误差为±1.6,应变测量误差为±20.04με,为解决温度-应变交叉敏感问题提供了可行性方案。

关键词： 柱矢量光束   亚波长负折射光栅   微透镜   光场调控   特异焦场  

摘要： 柱矢量光束的空间非均匀柱对称偏振态,在特异焦场聚焦、光学超分辨、光学捕获、激光微加工等领域具有广泛的应用。紧聚焦光学透镜的设计备受研究者关注。传统透镜和具有特定表面曲率的反射镜难以突破衍射极限,且自身尺寸较大;此外,反射镜聚焦的焦斑与光源处于反射面同侧,不利于实际运用。二元光学器件或采用4-f系统可以生成特异焦场,但这些器件和系统的设计与实现较为复杂。表面等离激元微透镜具有偏振局限性,焦距无法灵活调控。一维光子晶体透镜由两种及以上材料交替排列,制备难度过高。综上所述,若要实现焦场的灵活调控,需要微透镜具备特异焦场聚焦、焦距特定、无偏振局限性、制备简便的特点。本文提出的可实现柱矢量光束特定焦距聚焦的光栅平凹镜,克服了常见光学器件存在的缺陷。平凹镜依据全介质光栅-1级衍射的等效负折射效应结合费马原理实现结构设计。对应不同预设焦距的出射面区域划分,形成了满足特定焦距的双焦点焦场。分析结构的高次级衍射效应对聚焦效果的影响,找到了次级焦点和双焦点耦合、偏移等源于大结构周期的高级次衍射,形成了平凹镜底部挖空和区域衔接部分的两步优化方案,有效抑制了次级焦点,纠正了双焦点位置,优化了焦场质量。入射光偏振组分和参数的调节,分别满足了对双焦点光场横向和纵向灵活调控的需求。进一步地,本文提出了实现特异焦场聚焦的光栅平锥镜,基于全介质光栅-1级衍射的等效负折射效应及费马原理完成设计,不同锥角条件下具备获得光针焦场及光链焦场的本领。本文设计的特殊锥角的平锥镜能使光线以90°偏折,产生的光针焦场更为紧凑,与光源分别位于透镜异侧,克服了传统反射镜的缺点。入射光参数的设置调节了入射光振幅分布情况,实现了对焦距及焦深的灵活调控。锥角的合理设置,让全介质光栅的-1级衍射光在平锥镜轴上获得满足光链焦场聚焦的特殊相位关系,生成的紧聚焦光链具有焦点数量及间距可控等优势。光链焦场的焦点数量可以通过调节平锥镜结构参数和入射光参数的方法改变。本文工作着眼于实现柱矢量光束特异焦场聚焦的光栅微透镜设计和优化,完成了多样化焦场的聚焦及灵活调控。光栅微透镜具有微型化、结构设计简便、材料折射率单一的独特优势。这项研究为超分辨显微、光刻、多粒子光学微操控等领域提供了新思路。

关键词： 光纤布拉格光栅   波长调谐   封装   锂离子电池   健康监测  

摘要： 随着锂离子电池的发展,人们对电池安全性能要求越来越高。其中,热稳定性和压力稳定性是最重要的影响参数。光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)不仅体积小、抗电磁干扰、易复用组网、响应速度快、功耗低,而且对温度和应力敏感,在锂离子电池健康监测领域显示出广阔的应用前景。在锂离子电池工作过程中,内部会发生剧烈的电化学反应,使得电极的温度和压力升高,从而导致电池性能退化,甚至导致燃烧或爆炸等安全事故。传统的电池健康监测方法只能跟踪电池表面的温度或应力变化,存在分辨率差、精度有限等问题,无法监测电池内部的电化学反应变化。目前,FBG传感技术在电池健康监测也多为单参量表面监测,难以全面评估电池内部健康状态。因此,研究FBG用于电池内部多参量的原位监测方法具有重要意义。本文从FBG传感原理入手,研究了FBG的刻写工艺、封装方法以及传感特性;进一步地以标准FBG为参考,进行波长调谐以获得多点FBG阵列,探讨了FBG的温度和应力传感性能;最终利用性能良好的三点FBG嵌入软包锂离子电池,实现了对电池工作循环过程中正极温度和应力的实时监测。主要工作内容如下:(1)搭建了基于相位掩模法的FBG在线刻写和监测系统,探究影响FBG光学性能的影响的因素,以获得制备性能良好的FBG的刻写条件。探究了FBG的波长调谐理论,实现了中心波长进行定量调谐,解决了FBG阵列刻写成本高的问题。(2)利用Optigrating仿真软件对FBG性能进行仿真,仿真得到的中心波长为1550 nm的FBG的传感灵敏度,为后续FBG传感器的应用提供了理论依据和实验依据。探究了FBG的增敏和减敏的封装方法。针对FBG存在的交叉敏感问题,探究波长调谐的FBG的光学性能,采用波长调谐方法进行温度补偿。(3)针对锂离子电池健康监测中存在的单参量、表贴测量等问题,本文在软包锂离子电池正极嵌入FBG传感器,监测正极的温度和应力变化。嵌入的FBG能够反映电极的温度和应力变化,没有时间迟滞性,循环结束后FBG也恢复到原始中心波长。FBG的光学响应在多个周期内是可重复的,提高充放电速率,电池的温度和应力变化更加显著,实现了锂离子电池正极温度和应力双参量的实时监测。

关键词： 常Q波动方程   分数阶拉普拉斯算子   粘弹介质   有限差分法   数值模拟  

摘要： 由于地层的粘滞效应,地震波在地下传播时会产生能量损失和相位畸变。准确模拟地震波依赖于频率的吸收衰减,对于认识地震波传播规律并开发以此为基础的高精度地震成像算法至关重要。通过数值求解分数阶粘弹波动方程来模拟地震波的吸收衰减是近年来备受关注的话题。求解时间分数阶粘弹波动方程需要储存全部历史时刻的波场,会消耗大量的内存空间和计算时间。因此,本文研究分数阶拉普拉斯算子粘弹波动方程及其数值解法。在详细介绍分数阶拉普拉斯算子粘滞声波和粘弹波动方程推导过程的基础上,为避免传统伪谱法周期边界问题,本文研究了在空间域近似分数阶拉普拉斯算子的矩阵转换法,并提出能避免大型矩阵特征值分解的分裂式矩阵转换法,将高维度的分数阶拉普拉斯算子分裂为多个方向一维分数阶偏导数的和,显著提高了计算效率。在此基础上,本文进一步研究了利用快速傅里叶变换求解差分系数的方法,并利用最小二乘方法对近似分数阶偏导数的差分算子进行优化,实现了分数阶偏导数的局部有限差分算子近似,提高了计算效率。数值模拟结果证实了本文所提出的分裂式矩阵转换法和优化系数有限差分法的模拟结果与传统伪谱法的模拟结果吻合较好,但计算效率得以提升。此外,本文在已有的分数阶粘滞声波方程高精度时间外推方法的基础上,建立了适用于分数阶拉普拉斯算子粘弹波动方程的高精度时间外推格式,相比于传统伪谱法的时间二阶精度,新的递推格式由波动方程的通解发展而来,时间频散小、稳定性也更好,允许使用更大的时间步长进行波场外推,提高了计算效率。本文针对分数阶拉普拉斯算子粘声和粘弹波动方程所研究的数值解法,能为进一步研究粘弹介质高精度成像和反演方法提供基础。

关键词： 色散光栅   波长-时间映射   光谱整形器   线性调频微波信号   频率可切换微波信号  

摘要： 基于微波光子技术的微波波形产生,可以突破传统电域方案中的“电子瓶颈”限制,获得高频、大带宽的微波信号,并大幅提升其抗电磁干扰能力,因此在国防领域如电子对抗、军用雷达、军用通信和民用通信领域均具有巨大的应用前景。为了同时满足高频、大带宽、小尺寸、低功耗和高稳定性的应用需要,集成化的微波波形光学产生技术研究迫在眉睫。本文围绕基于波长-时间映射微波波形产生方案中的核心模块——光色散元件、光谱整形器等,开展集成化芯片的设计、制备、测试研究。基于研制的集成芯片搭建了基于波长-时间映射微波波形产生系统,实现了宽带线性调频微波信号以及频率可切换微波信号的产生。具体研究内容如下: （1）基于绝缘体上硅（SOI）材料,采用低损耗的多模波导克服了常规单模波导无法实现长距离传输的问题,设计并实现了集成化色散延时芯片。通过设计螺旋波导啁啾布拉格光栅,结合端面耦合拉锥波导结构,首次在220 nm的标准顶层硅厚度下突破传输损耗的限制,实现了厘米量级的光栅长度。实验测得该光栅的色散系数超过了100 ps/nm,在不足1 mm2的面积上实现了与数千米单模光纤相对应的色散延时量。 （2）设计了基于多模波导光栅的Sagnac环形反射镜,结合端面耦合拉锥波导,实现了插入损耗低至6.5 dB的SOI光谱整形器芯片。该设计有效降低了链路对低噪声光放大的需求,为产生高信噪比的微波信号奠定了基础。接着,利用该光谱整形器芯片搭建了基于波长-时间映射技术的微波波形产生系统。实验中实现了带宽高达数十GHz,持续时间接近纳秒量级的宽带线性调频信号。而映射时所需要的色散系数仅为-100 ps/nm（利用集成、光纤技术均可实现）,提升了系统进一步集成的可能性。 （3）设计了非对称马赫-泽德干涉（MZI）结构的片上光谱整形器,在大带宽范围内实现了均匀自由光谱范围（FSR）和高消光比的整形光谱。实验中使用一组片上光谱整形结构,通过色散元件进行波长-时间映射后,实现了频率覆盖范围数十GHz的频率步进单频微波信号。另外,利用该光谱整形结构可同时输出两路互补整形光谱。实验中将光谱整形结构的两路输出信号分别接入不同色散系数的色散元件进行波长-时间映射,可同时产生两路不同频率的微波信号,提高了光功率的利用率。 （4）为了增加单频微波信号产生系统的可调谐特性,进一步设计了通带内高平坦度和通道间低串扰的片上热光开关网络。将其与一组具有不同长度差的非对称MZI结构光谱整形单元进行片上互连,可直接在片上实现输出光谱FSR的切换。实验中共用一个色散元件,通过热调谐选择光谱整形的通道,实现了厘米波范围内的频率可切换单频微波信号,切换总功耗仅为148.40 mW。

关键词： 级联式液晶偏振光栅   衍射效率   液晶电控波片   偏振补偿   斯托克斯参数  

摘要： 液晶偏振光栅是一种能够实现光束非机械式偏转的新型液晶器件,具有轻量化、小型化、低功耗等特性,广泛应用于激光雷达、空间光通信、扫描成像等领域。然而,单片液晶偏振光栅的扫描视场有限。为实现高分辨率与大视场的光束扫描,需要将多片液晶偏振光栅与液晶电控波片交替级联形成级联式液晶偏振光栅。但是光束在级联式液晶偏振光栅传播过程中产生的斜入射现象,会使液晶电控波片出射的圆偏光发生退偏,导致液晶偏振光栅能量利用率下降,进而降低衍射效率。因此,为了实现高衍射效率的光束偏转,开展级联式液晶偏振光栅衍射效率优化方法研究,具有重要的理论和应用价值。论文主要研究内容如下:从液晶电光效应入手,分析了单片液晶偏振光栅的衍射特性和液晶电控波片的相位调制特性。采用二进制级联方案,设计了由四组液晶偏振光栅和液晶电控波片构成的级联系统,可实现扫描视场为±5°、角度分辨率为0.33°的光束偏转。分析了影响级联式液晶偏振光栅衍射效率的因素,结合扩展琼斯矩阵、斯托克斯参数、矢量衍射理论,构建了级联式液晶偏振光栅斜入射角度-退偏量-衍射效率的三维模型,推导了退偏量和液晶电控波片相位延迟的数学公式,为实现衍射效率优化提供了理论支撑。针对级联式液晶偏振光栅衍射效率低的问题,分析了基于免疫算法和Alopex算法的衍射效率优化方法,在级联系统不同偏转角度下,通过两种优化算法对衍射效率的优化效果进行仿真,结果表明,两种优化算法可以提升衍射效率,但易陷入局部最优。为了进一步提升级联式液晶偏振光栅的衍射效率,构建了斜入射下液晶电控波片相位延迟模型,利用液晶电控波片的相位调制特性,结合退偏量和液晶电控波片相位延迟的数学公式,提出了基于偏振补偿的衍射效率优化方法。该方法可以计算出级联系统出射光最优衍射效率对应的液晶电控波片工作电压,实现衍射效率的优化。结果表明,当级联式液晶偏振光栅偏转角度为1°时,应用偏振补偿法对级联系统衍射效率优化后,衍射效率从84.21%提高到91.75%,提升了7%;相较于免疫算法与Alopex,衍射效率分别提高了6%与4%。为实现级联式液晶偏振光栅高衍射效率的光束扫描,设计了基于偏振补偿法的级联式液晶偏振光栅控制软件总体方案。通过人机交互界面输入液晶电控波片工作电压,利用串口通讯模块给下位机发送电压指令,进而调制光束通过液晶电控波片的相位延迟,优化级联式液晶偏振光栅的衍射效率。运用扫描控制模块控制级联式液晶偏振光栅,实现了扫描视场为±5°、角度分辨率为0.33°的光束扫描,和电压优化前相比,衍射效率提升了4%以上,验证了本文所提方法在实际应用场景中的有效性。

关键词： 张量   T乘积   T-CMP逆   扰动分析  

摘要： 本文主要借助离散型傅里叶变换与张量T-Schur分解研究T乘积下张量CMP逆(T-CMP逆)的特征,算法和扰动.首先,依据T乘积下张量的相关概念和引理研究T-CMP逆的特征,给出张量T-CMP逆的等价刻画,以及T-CMP逆的值域和零空间.此外,给出T-CMP逆在T-Schur分解下的表达式,并利用此表达式研究T-CMP逆与其它张量广义逆的关系,以及一个张量为core-EP张量的等价条件.其次,提出计算张量T-CMP逆的连续张量平方算法和傅里叶高斯约当算法,并给出利用这两种方法计算T-CMP逆的具体算例.最后,对张量施加一个满足双边条件的扰动后,分析T-CMP逆的扰动界,并通过具体算例对T-CMP逆的双边扰动结果加以说明.

关键词： 图像修复   张量奇异值分解   交替方向乘子法   低秩张量   截断核范数   张量环补全  

摘要： 随着互联网与计算机技术的普及与发展,图像数据在存储和传输过程中受到很多因素影响,使我们无法获得完整、准确的信息,张量分解在解决这类问题中引起了广泛的关注。由于已知图像信息张量是低秩或近似低秩的,因此通常将该问题转换为秩极小化问题进行求解。本文针对图像数据中存在的数据缺失和噪声问题,以张量分解为基础,以待修复图像为研究对象,对张量补全问题中的相关理论方法进行研究,主要开展了两方面的研究工作,具体内容如下:(1)针对低秩张量奇异值分解过度使用不同稀疏约束、未充分利用数据潜在的结构关系,导致在图像数据处理中运算成本高、影响图像修复质量问题,提出了一种基于截断核范数低秩张量核矩阵的图像修复算法TNN-LTKM(Truncated Nuclear Norm Low-rank Tensor Kernel Matrix image repair algorithm)。首先,引入张量截断核范数,对秩函数进行精确逼近,以增强优化模型的鲁棒性;其次,通过增加核心矩阵核范数扩展t-SVD中的张量核范数,构建了一个新的包含张量管秩和核矩阵秩的潜在核范数,来充分提取核张量中的低秩结构,消除冗余;接下来,采用增广拉格朗日交替方向乘子法对上述模型进行优化求解;最后,在ZJU、Berkeley和Kodak Lossless 3个数据集上进行实验验证,取相对平方误差、峰值信噪比、结构相似度和CPU运行时间4个评价指标,与现有的6种算法进行对比。实验证明,TNN-LTKM算法在低采样率下有着良好的表现。(2)针对现有算法在优化张量核范数过程中存在等距收缩、张量列秩因子的乘法不是排列不变的问题,提出了一种环式分解张量补全框架下潜在矩阵分解鲁棒低秩张量环补全算法LMF-LTRC(Robust Low-rank Tensor Ring Completion algorithm based on Latent Matrix Factorization)。首先,引入张量循环展开运算,建立张量环分解与张量循环展开矩阵之间的关系,每个潜在分量都使用张量环展开矩阵的低秩矩阵分解来近似,并将其应用于张量环分解的张量补全模型中;其次,在张量环因子中引入核范数正则化,将奇异值分解用作潜在张量环因子的交替方向乘子迭代过程,使得SVD的优化步骤在更小尺度上执行,在得到秩最优的潜在张量环因子和恢复张量同时,降低了SVD运算的计算成本;最后,在Fa?ade、DTD、Celeb A-HQ 3个数据集上进行实验验证,通过4个评价指标、与现有的9种算法进行对比,结果表明所提算法在图像恢复方面有着一定的优势。在上述研究的基础上,设计并开发了一个基于低秩张量分解的图像修复原型系统,可以对所提方法进行有效的验证。