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关键词： 光纤布拉格光栅   压差式流量传感器   低启动流量测量  

摘要： 流量测量在石油生产测井领域中起着至关重要的作用。精确测量油气井下流体流量信息,对于井中安全监测,提高采收率等意义重大。近年来,随着石油产业的不断发展,以及人民群众对石油能源需求量的不断提高,石油生产已经逐步从常规化生产转向高含水油气、页岩气等复杂环境下生产。由于开采难度的提高,传统的流量检测方式由于其灵敏度低、耐高温高压能力弱等原因,逐渐无法满足人们的勘探需求。而光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感技术由于其具有灵敏度高、耐高温高压、抗电磁干扰且尺寸小等优点,逐步得到了广大科研人员的关注,成为了目前研究的重要方向。本论文提出的光纤光栅压差式流量传感器因其具有低启动、高灵敏的特点,适用于油气井中小流量的实时监测。本文基于压差式传感机理,结合光纤光栅传感基本理论,进行了一系列流量传感研究,主要内容包括传感器结构设计、仿真优化和实验测量等相关工作。具体内容包括:(1)对当前油气井下流量测量的常见方式进行分析,总结各电类流量传感器的组成结构、工作原理和优缺点,对比分析FBG流量传感器的优点,讨论各类FBG流量传感器的特点。根据油气井下流量测量面临的实际问题,提出本文的工作内容。(2)从理论层面上阐述了FBG压差式流量测量的传感机理,包括耦合模理论、Bragg条件、热光效应、弹光效应和热膨胀效应等。分析计算在流体域中流量与应变之间的关系,建立相关物理模型。(3)设计并研制了一种基于差压式传感机理的低启动光纤光栅流量传感器。分析了FBG及压差式传感机理,推导了其中心波长变化量与流量之间的关系。通过温度试验确定了可消除温度应变的交叉敏感,然后通过静压实验验证了理论部分的正确性,最后通过动压实验得到传感器的灵敏度。实验结果表明,封装后的传感器静压响应灵敏度分别为86.6925 nm/MPa和68.6286 nm/MPa;两根FBG的温度灵敏度分别为0.0298 nm/℃和0.0288 nm/℃。因此可以消除温度对流量测量的影响;该流量传感器灵敏度为0.00029 L/s。(4)提出了一种使用扁平固支梁进行流量转换单元的FBG流量测量方法。以提高灵敏度、降低传感器尺寸为设计思想,建立流量传感器模型,结合油气井下对于传感器的实际要求,优化传感器各项参数。首先通过温度试验确定了可消除温度应变的交叉敏感,然后通过动压实验得到传感器的灵敏度。实验结果表明,两根FBG的温度灵敏度几乎一致,分别为0.0279 nm/℃和0.0287 nm/℃。因此可以消除温度对流量测量的影响;该流量传感器灵敏度为0.00017 L/s。

关键词： 原子力显微镜   光波导悬臂梁   波导光栅   灵敏度   单调响应  

摘要： 随着原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)技术的应用逐渐广泛,AFM现已成为以原子分辨力表征材料的强大技术。然而目前的AFM系统由于各组成功能模块是分散的,导致系统稳定性相对较差,难以达到更高的灵敏度。此外,已有系统不容易实现多通道,更换样品时通常需重新调节和校准系统。因此,未来的AFM将朝着集成化、阵列化以及简单化方向发展。本研究将利用光波导传感技术集成度高、结构简单以及易于制造的优势,将光波导传感技术与纳米机械技术相结合,提出了原子力显微镜的硅光波导悬臂梁传感结构。该传感结构基于集成在一块芯片上的对接波导间耦合效率与彼此间错位的关系,利用输出波导捕获光功率变化,从而获取样品表面形貌信息,这种结构相比于传统AFM位移测量技术,可允许使用纳米级宽度的悬臂梁,大大缩小了探测结构的物理尺寸。因此,本文针对原子力显微镜传感结构进行了系统研究,具体内容如下:(1)研究了原子力显微镜的硅光波导悬臂梁传感结构的工作原理,并基于光学和力学原理,建立了理论仿真模型。之后,研究了悬臂梁厚度、波导间隙距离以及纳米探针尺寸对传感器耦合效率和光学灵敏度的影响,同时对器件机械性能随悬臂梁长度的变化趋势进行了探讨。最后,设计与优化了原子力显微镜的硅光波导悬臂梁传感结构,研究结果表明,该传感器可以在0.4m的探测范围内实现3.5×10nm的灵敏度以及0.24221fm/(?)的偏转噪声密度,并且可达到3的共振频率和0.2/m的弹簧常数。(2)研究了硅光波导悬臂梁传感结构耦合输入结构,设计了一种表面波导光栅耦合器,解决了光纤和波导间模式失配的问题,同时提高了硅光波导传感结构耦合效率。本研究采用了金属反射层方案,将透过波导-SiO层界面的光反射回波导中继续传播,从而提高了波导光栅耦合器的耦合效率。此外,研究对比了浅刻蚀和全刻蚀两种工艺的波导光栅结构在耦合性能和工艺难度上的特点,由于全刻蚀光栅结构的耦合效率与浅刻蚀结构相当,且制作工艺相对简单,最终选择了全刻蚀波导光栅耦合器作为原子力显微镜传感系统的输入结构。(3)研究了硅光波导悬臂梁传感结构耦合读出结构,设计了一种双层平面波导的读出结构,该结构在悬臂梁偏转方向上采用了两个输出波导来处理捕获的光功率,通过多点监测显著提高了传感器的灵敏度,并利用引入差分信号实现了对悬臂梁偏转的单调响应,此外,探讨了纳米探针和对接波导间隙距离对传感器单调响应性能的影响。研究结果表明,相较于传统读出结构,该读出结构表现出较好的性能优势。

关键词： 张量Tucker分解   矩阵低秩近似   随机算法   素描   幂迭代  

摘要： 随着大规模数据集的广泛使用,对高维数据进行压缩近似处理的需求越来越迫切。基于Tucker分解进行张量低秩近似的算法得到了广泛研究,并在机器学习、图像处理等实际应用中取得了显著的成功。在张量低秩Tucker近似的传统确定性算法中,计算中间矩阵的奇异向量需要对矩阵进行完整的奇异值分解,这个计算过程通常是十分耗时的,导致了计算成本过高的问题。矩阵低秩近似的随机化算法已经被广泛研究并应用于实际问题中,其基本思想是通过采样或投影来对大规模数据进行降维,然后求解矩阵低秩近似。与确定性算法相比,随机化算法的计算成本更低,通常能够在较短的时间内获得较好的近似结果。在张量低秩Tucker近似中,可以借鉴矩阵低秩近似的随机化思想,来计算中间矩阵的奇异向量,从而有效地改进传统的确定性算法。本文主要通过矩阵两边素描算法和幂迭代对STHOSVD算法进行改进,来解决STHOSVD算法中求解中间矩阵奇异向量计算成本过高的问题。主要研究内容如下:(1)矩阵两边素描算法是一种快速随机算法,用于计算矩阵低秩近似。本文将该算法应用于STHOSVD算法中,提出了 一种新的张量Tucker近似随机算法,该算法显著提高了计算效率,并具备理论上的收敛性分析和实验验证。在多个张量数据上的实验结果表明,该算法在保持较高近似精度的同时,可以显著减少计算时间。(2)当数据矩阵的奇异值衰减速度较慢时,简单的矩阵两边素描算法可能会导致较差的近似结果。为了提高算法精度,本文引入了幂迭代技术来加速奇异值的衰减,从而提高矩阵两边素描算法的性能。实验结果表明,结合子空间幂迭代的素描算法在各种数据集上都取得了相对较优的结果。(3)将结合子空间幂迭代的两边素描算法应用于STHOSVD算法,本文提出了一种更有效的张量低秩Tucker近似随机算法。实验结果表明,该算法相对于其他方法具有更好的性能表现,能够在优化计算成本的同时,达到和确定性算法相似的近似精度。

关键词： 多线性系统   预处理子   预处理张量分裂   迭代法   强M-张量   收敛性  

摘要： 工程和科学计算中的许多问题如张量互补问题,数值偏微分方程,演化博弈动力学,数据挖掘等都涉及到多线性系统的求解,因此求解多线性系统成为了一个热门课题.为了提高近似收敛率,降低计算成本,学者提出利用张量分裂迭代法来求解多线性系统.基于预处理技术,本文主要研究求解多线性系统的预处理张量分裂迭代法.首先,提出了带有双参数型预处理子的预处理Gauss-Seidel方法,分析了该方法的收敛性,并给出了比较定理和数值例子来验证双参数型预处理子的有效性.其次,给出了带有极大型预处理子的预处理Gauss-Seidel方法,研究了该方法的收敛性,并通过一些比较结果和数值例子来表明极大型预处理子的有效性.最后,给出了带有极大参数型预处理子的预处理SOR方法,讨论了该方法的收敛性,并给出了比较定理和数值例子来说明极大参数型预处理子的有效性.

关键词： 风力机叶片   光纤光栅   应变监测   解调仪   寻峰算法  

摘要： 风能是可再生能源中最具开发潜质的一种,风机叶片是实现将风能向机械能转化的核心部件,其良好的结构性能是保证机组稳定、高效运行的前提。在长期的运行中,叶片会出现不同程度的纹裂现象,进而产生安全隐患,若不能及时进行监测,将会给机组带来不可逆转的损伤。因此,对风机叶片进行状态监测具有重要的理论意义及工程应用价值。本文首先对风机叶片结构及常见的叶片检测技术进行分析,针对现有检测技术的不足,设计了基于光纤光栅的风机叶片监测系统。论文主要研究内容如下:(1)构建以玻璃纤维复合材料制成的风机叶片模型。分析叶片在额定转速、最大转速、极端天气三种工况载荷情况下的力学性能,通过分析确定出风机叶片的重点受力区域,为光纤光栅传感器布局提供参考。(2)搭建了基于扫描激光器的光纤光栅解调系统,采用“FPGA+STM32”结构对多通道光纤光栅传感数据进行采集和解调。系统首先通过多通道开关CD4051芯片对多路光电传感数据进行切换,用AD9226芯片进行数模转换,并利用FPGA处理单元对采集数据的波峰进行解调,将解调峰值通过SPI接口传输给STM32F407芯片,再由Lo Ra模组与4G通讯模块将信号传至上位机。(3)针对实际工程应用中,光纤光栅的反射谱不是严格对称,导致寻峰过程中峰值存在一定误差。本文改进了一种在非对称高斯模型下的寻峰算法,通过五点滑动均值滤波法处理原始光谱数据,利用三点寻峰算法对反射谱进行峰值进行粗定位,引入非对称高斯模型对峰值位置进行校正,实验结果表明,本文算法能有效提高寻峰精度。(4)针对1.5MW的大型试验机组开展现场调试,搭建监测系统一体式样机,并对光纤光栅进行布局铺设,测试结果显示,本系统能够满足风机叶片在复杂环境下的应力监测需求,具有一定的工程价值。

关键词： 正弦振幅光栅   偏振相干统一理论   偏振成像   非线性系统  

摘要： 光栅成像系统具有高分辨率、高灵敏度和抗干扰能力强等优点,现已广泛应用在机器视觉、生物医学和成像光谱学等领域中。早期对光栅成像系统的研究主要考虑光场的相干性或偏振特性,而光场的这两种特性对光栅成像系统存在不同方面的影响,所以只考虑光场一种特性是不够的。本文基于偏振相干统一理论对部分相干光照明光栅的偏振系统展开研究,建立部分相干光照明光栅偏振系统物像关系模型,对模型仿真得到理论结果,设计并搭建实验平台,获取及处理实验数据,将实验结果与理论结果对比验证得出结论。本文具体研究内容如下:(1)设计部分相干光照明光栅偏振系统的简易图并建立其数学模型。首先,在不考虑偏振的标量系统中根据范西特-泽尼克定理建立部分相干光照明光栅的物像互强度。在此基础上,利用偏振相干统一理论,引入广义斯托克斯参量,将部分相干光照明光栅标量系统的物像互强度关系扩展到偏振矢量系统中,最终得到部分相干光照明光栅的偏振系统物像空间域和频谱域关系。(2)利用MATLAB对部分相干光照明光栅的偏振系统物像关系的数学模型模拟仿真。根据所建立物像关系中的传递交叉系数进行仿真,仿真结果显示在同一相干性下,二次谐波系数的衰减比一次谐波和直流分量更快;对建立的一次谐波和二次谐波表观传递函数的模型进行仿真,仿真结果表明在非相干光场中,即σ=0,一次谐波和二次谐波的表观传递函数呈线性变化,而随着相干性的增加,表观传递函数偏离线性关系;根据部分相干光照明正弦振幅光栅的偏振系统物像空间域模型仿真得到三组不同相干性下的正弦振幅光栅一维像的斯托克斯强度分布图,由仿真结果得空间域像的斯托克斯强度分布与光栅固有频率和相干性相关;利用频谱域物像关系仿真得4组特殊参数下的频谱分布,仿真结果表明光栅固有频率T(fx0)=0.8,σ值由1变为0.5,即相干性增强,一次谐波消失。(3)采用分时偏振成像系统对部分相干光照明光栅的偏振系统展开实验研究。设计实验方案,选取两种线密度分别为20线/mm和50线/mm的正弦振幅光栅,搭建实验平台,开展实验获取实验结果,并利用MATLAB对实验数据进行分析处理。实验结果表明光栅固有频率T(fx0)=0.8,参数σ值由1变为0.5时,一次谐波消失仅剩直流分量,最终得出的实验结果与理论结果一致。本文提供一种研究部分相干光照明透射物体偏振系统的方法,除本文研究的光栅物体外也适用于其他透射物体。此外,本文将光场的相干性与偏振特性结合,拓展了成像质量的评价方法。因此,本研究在光学测量、图像增强和医学诊断等领域具有广泛应用前景。

关键词： 超表面   双极化超构光栅   阻抗密度   衍射模式   能量分配  

摘要： 随着天线传输技术的发展,超构光栅被广泛应用于微波通信领域。因此,关于超构光栅的研究成为国内外的研究热点。超构光栅因其质量轻、体积薄、结构简单易于加工等特点,以及可将入射波直接导向特定的衍射级方向的优势被广泛关注。但是,目前提出的超构光栅多被用于太赫兹频段且其只能对一个平面上的来波进行波前调控。显然,单平面波束调控超构光栅具有功能单一、调控能力弱等缺点。本文整理归纳了现有双极化超表面和双极化光栅器件,并在二者基础上,设计出了一种微波段的双极化超构光栅,以实现对两个垂直面上的极化和极化波的独立波前控制,其在多通道信息处理、动态双极化天线和雷达系统等应用中具有巨大潜力。 本文的主要研究内容有:(1)通过线电流理论和Floquet衍射模式理论,我们设计了一种能实现衍射波能量分配的超构光栅,并应用粒子群算法优化了该超构光栅的性能,使其能在单平面内实现单一衍射波出射和能量平分两种功能。(2)通过研究极化和极化波对超构光栅周期单元的影响,提出了一种对极化和极化波有独立响应的双极化单元,并设计出了一种新型的4×4周期单元,它可以有效地实现垂直平面内的能量分配。(3)我们利用双极化超构光栅的设计方法,分别实现了波束大角度偏转以及高阶衍射模式(±2、±1、0)下的衍射波能量分配。(4)本文设计了加载变容二极管的双极化超构光栅,其具有良好的电控性能,可以有效地实现垂直面上的衍射波动态调控。(5)为了探究所设计器件在其他极化波入射下的效果,本文还仿真验证了45°线极化波和圆极化波入射时双极化超构光栅的工作性能。 相较于现有研究理论,本文存在的意义及创新点包括:(1)与梯度超表面相比,设计的超构光栅可以克服由于离散相位限制而降低的波束辐射效率,从而使波束大角度偏转能有更多的应用。(2)双极化超构光栅可以有效地克服传统双极化超表面所带来的极化耦合,从而开辟出一条独立调控的新途径。(3)所设计的双极化超构光栅不仅可以同时控制两个平面上的高阶衍射波,还可以对线性极化波以及圆极化波进行调控,这是超构光栅领域尚未研究过的,该研究克服了传统PCB超构光栅只能控制单个平面上的极化波的限制。(4)设计的电控可重构的双极化超构光栅能够动态控制多种极化波,为双极化动态调控天线的设计提供了新的设计思路。

关键词： 硅光子技术   切趾   波导布拉格光栅滤波器   旁瓣抑制比  

摘要： 硅光子技术是一种利用成熟的互补金属氧化物半导体兼容工艺在硅衬底上研制和集成光子器件的技术,具有高精度加工、高密度集成、低成本大规模制造的优势,成为近年来学术界和产业界研究的热点。光纤布拉格光栅滤波器因具有多功能和精确的光谱响应已成功在光纤通信中应用。结合硅光子技术和布拉格光栅滤波器的优势,用硅基光波导实现布拉格光栅滤波器将在硅基光子回路与系统中有很高的应用价值,对硅基波导布拉格光栅滤波器的研究具有重要的意义。均匀波导布拉格光栅滤波器通常具有很强的光谱旁瓣,会造成信号串扰,这限制了它的性能和应用。因此,需要从理论出发,研究器件结构,抑制旁瓣改善器件性能。本论文针对抑制波导布拉格光栅光谱旁瓣的问题,围绕切趾波导布拉格光栅滤波器开展以下研究工作:(1)基于光波导模式理论和耦合模理论,介绍了光波导和布拉格光栅滤波器的原理,为器件设计奠定理论基础。然后介绍了光栅切趾的基本原理,确定使用互补光栅错位调制的切趾方法。(2)设计并制备了一种基于光栅辅助反向耦合器的低损耗氮化硅切趾波导布拉格光栅滤波器。利用互补光栅错位调制实现切趾,利用光栅辅助反向耦合器结构实现信号提取,通过在波导一侧刻蚀光栅波纹降低反射损耗。实验结果显示,器件的通带3-d B带宽约为0.98 nm,旁瓣抑制比为22.1 d B,直通端插入损耗约为-0.22 d B。根据实验测试结果分析,提出了进一步优化器件性能的方案。(3)设计并制备了一种基于多模波导和绝热定向耦合器的窄带切趾亚波长多模波导布拉格光栅滤波器。利用多模波导结合亚波长光栅波纹实现窄带滤波光谱,利用互补光栅错位调制实现切趾,通过调整中心多模波导宽度、光栅波纹宽度和光栅长度来实现光谱性能的调谐。实验结果显示,器件的通带3-d B带宽可达0.51 nm,旁瓣抑制比为16.6 d B,并且器件在1530-1565 nm波长范围内实现了无限制自由光谱范围的光谱响应。(4)设计并制备了一种基于级联切趾多模波导布拉格光栅滤波器的粗波分复用器件。采用互补光栅错位调制实现滤波光谱响应的优化。针对滤波光谱性能,对器件的仿真与实验结果进行了对比与分析,提出了进一步优化器件性能的方案。

关键词： 三芯光纤   飞秒激光微加工   光纤Bragg光栅   马赫-曾德尔干涉仪   光纤传感  

摘要： 光纤光栅是光纤技术领域最重要的发明之一,在光纤通信、传感、激光光源等领域得到了极其广泛的应用。随着多芯光纤为代表的新型光纤和光纤光栅写制技术的发展和进步,在多芯光纤上写制高质量的光纤光栅引起了广大研究人员的高度关注,尤其在大容量多芯光纤通信系统和多维度高性能传感系统被寄予厚望。本文围绕利用飞秒激光微加工技术在三芯光纤写制Bragg光纤光栅及其传感应用、重点针对多芯光纤普遍存在的不同纤芯中光栅同时在线探测/解调困难展开了深入的实验和理论研究。论文主要研究内容如下:1)利用飞秒激光在三芯光纤的三根纤芯上逐点刻写不同周期的Bragg光栅,并在三芯光纤两侧刻写耦合波导,将入射光从单模光纤直接耦合到各个纤芯中,同时将Bragg反射信号耦合回单模光纤,实现三根纤芯中Bragg光栅的同时检测。该方案无需借助fan-in/out装置,有效地降低了系统的复杂程度和成本,而且结构紧凑,稳定性高。利用制成的三芯光纤光栅的空间位置差异,该器件被应用于方向性弯曲传感,可以实现全方位的弯曲测量,同时可以消除温度、轴向应变的交叉干扰。2)在三芯光纤两端分别熔接很短的一段无芯光纤,再与单模光纤熔接构建成在线式马赫-曾德尔干涉仪。实验和仿真结果表明该干涉仪的光谱中存在一个色散转折点。利用转折点两侧的干涉峰对外面折射率的相对变化,可获得-67.56nm/RIU折射率响应灵敏度,不仅有效地提高了干涉仪的折射率灵敏度,同时大幅降低温度和轴向应变的交叉敏感性;为了进一步消除温度的交叉影响,提出采用位于色散转折点的干涉峰作为第二传感指示,实现折射率和温度同时测量。3)利用飞秒激光在三芯光纤的三根纤芯上分别写制Bragg光栅,然后熔接很短的无芯光纤作为光耦合器,在实现三根Bragg光栅同时检测的基础上叠加马赫-曾德尔干涉,利用干涉峰和Bragg光栅峰的响应差异,实现弯曲和温度等参量的同时测量。