π相移光纤光栅水听器的超声波传感指向特性

π相移光纤光栅因具有较短的有效光栅传感长度,近年来成为了超声传感领域的研究热点.本研究旨在探究π相移光纤光栅作为水听器应用时对超声波的指向性特性.选取π相移光纤光栅作为超声传感单元,先基于分层介质的声传播理论计算出水中超声波入射时光纤纤芯的应变,再运用基于光学耦合模方程的传递矩阵法计算反射光谱得到光波长偏移.将角度-频率空间分为三个区域,计算了声波频率在1-10 MHz时不同角度下的应变结果和光波长偏移响应特性,并开展了实验研究.结果表明,理论和实验结果具有较高的一致性,π相移光纤光栅在超声波垂直光纤入射时响应最大,随声波入射方向与光纤法向间夹角的增加,π相移光纤光栅的声响应先急剧下降,后在水中直达声波和光纤中导波叠加时出现极大值.此外,π相移光纤光栅的声响应随声波频率增加而降低.本研究对π相移光纤光栅在超声传感中的实际应用具有重要意义.

π相移光纤光栅对超声波致非均匀应变场的传感特性

π相移光纤光栅用于水中超声传感时,超声波沿光纤轴向入射和垂直光纤入射时的传感波形及幅度显著不同。针对这一现象,本文建立了基于光学传递矩阵的光纤光栅声传感理论模型,计算了超声波分别沿轴向和沿垂直方向入射时π相移光纤光栅中的非均匀应变场分布,进而分析了光谱偏移,揭示了两种入射角度下π相移光纤光栅的传感特性与声传播导致的应变场分布相关,并通过实验进行了验证。结果表明,两种入射角度产生的不同的非均匀应变场分布对π相移光纤光栅的传感特性影响明显。超声波垂直入射时的传感波形和幅度均优于轴向入射,且π相移处对传感有显著作用。当入射位置远离π相移处时,垂直入射的响应也明显降低。本研究可为π相移光纤光栅超声传感的机理分析提供参考。

二维傅立叶变换及其π相移的解相技术研究

探讨了二维傅立叶变换和π相移技术用于三维面形的测量,消除了背景光强对频谱图的影响,避免了频谱混叠,有利于一级谱的准确提取,增大了曲面的可测梯度,可用于复杂形面的测量,同时在频域中绕过移频,避免了主频点的漂移.研究结果表明:该方法测量精度较高,简单、有效.

机械写制π相移弯曲不灵敏光纤长周期光栅滤波器

采用2个交错放置的具有π相移的周期性刻槽板对弯曲不敏感光纤径向施力,形成了机械写制π相移长周期光栅(LPGs)滤波器。实验研究了压力和子光栅个数对π相移光纤光栅的光谱影响以及光栅的偏振相关损耗(PDL)。结果表明:两侧阻带的传输损耗由施加在光纤上面的压力决定,子光栅的个数决定π相移光纤光栅的通带宽度,但不影响通带中心波长;对LP13耦合模,当π相移个数从1增加到9时,滤波器通带带宽由8.2 nm增加到53.8 nm。LP13包层模具有最大PDL,其值约为6.86dB。该方法制作的π相移长周期光纤光栅(LPFG)具有可重构性,结构简单,易于操作,在光纤通信和传感领域具有潜在的应用价值。

基于π相移光栅的温度传感特性研究

提出了一种简易的利用π相移光栅(π-PSFBG)实现温度测量的传感系统。系统利用了π相移光栅的窄带特征,可显著提高系统灵敏度,系统结构简单,易于操作。通过实验验证了该传感器的温度传感特性,结果显示:随着温度的升高,π-PSFBG的中心波长呈线性变化,线性拟合度R2为0. 999 5,温度灵敏度约为10. 2 pm/℃。

π相移技术在钢轨三维面型复原中应用效果分析

在傅里叶变换轮廓术(FTP)中,频谱中的基频分量包含物体的高度信息,基频分量的提取效果对物体三维形貌复原的精度有重要影响。通过π相移技术可以消除背景分量,即零频部分,从而能更好地提取出基频分量,减小测量误差。文中通过计算机仿真对含有噪声的光栅条纹图像进行三维恢复,证实了π相移技术对提高FTP测量精度的作用。并将该方法应用于钢轨表面轮廓的三维复原和测量,为钢轨磨耗和表面缺陷的测量提供有效方法。

基于πPS-FBG传感技术的激光超声水下铝板缺陷检测研究

为实现水下金属构件在线服役状态的在线评估,搭建了一套基于激光超声和π相移光纤布拉格光栅(πPS-FBG)的水下板材缺陷检测系统.为了研究水下激光超声传播规律,以6061铝合金板材为测试样品,进行了不同水深下的激光超声探测实验.与空气中超声传播相比,实验发现水下πPS-FBG多接收到一个超声波信号,此信号是激光第一次与水面作用产生的纵波信号.随着激励源与πPS-FBG传感距离的增加,超声信号在时域上也延迟增加;πPS-FBG接收的激光激励的首个超声波信号的波速为2871.91 m/s,缺陷反射波的波速为2911.02 m/s,其与铝板中超声表面波的速度接近,两者的相对误差分别为1.3%和0.03%.改变激励源与缺陷的距离,发现缺陷的定位精度与缺陷距离无关,缺陷位置的定位相对误差随着距离的增大而逐渐减小.本研究为水下金属构件的在线服役状态检测提供了一种潜在应用技术(包括在南水北调工程中),对于提高水下结构的安全性和可靠性具有一定意义.

π相移光纤光栅制作方法的比较研究

介绍了目前最常用的两种制作相移光纤光栅的方法，即分步曝光法（或遮挡法）和相位掩膜板移动法，对比分析了两种方法引入相移的物理机制，并利用传输矩阵法理论模型，数值模拟了两种制作方法下的相移光纤光栅透射谱，并分别进行了分布反馈光纤激光器（DFB-FL）的对比实验。结果表明，分步曝光法制作相移光纤光栅时，相移量与光栅中无曝光段的长度及纤芯折射率调制量均有关，难以精确控制相移量的大小，并且存在偏振模竞争问题；而相位掩膜板移动法通过压电陶瓷直线微动台控制掩膜板和光纤相对位移，在光栅中引入相位变换，可以将相移量控制在O～2”范围之内，更容易实现”相移光栅的制作。

双波长啁啾相移光纤光栅

理论研究并实验验证了一种含有两段π相移的啁啾相移光纤光栅.采用F矩阵对啁啾相移光纤光栅进行计算并分析了该光栅的谱特性.含有两段π相移的啁啾相移光纤光栅可以在普通啁啾光栅透射谱阻带中产生双波长透射峰,透射峰位置直接取决于光栅中π相移的位置,透射峰的线宽和透射峰的波长间隔没有关系,仅随着啁啾率的增大而增大.采用带相位掩模的逐点扫描法对含有两段π相移的双波长啁啾相移光栅进行了制作,获得波长间隔为8nm的双波长透射谱的光栅器件.该光栅的消光比和3dB谱线宽分别为20dB和0.08nm,实验结果和理论设计一致.

双π相移光纤光栅的设计

研究了在均匀光纤光栅中对称地插入两个π相移时透射谱的特性,通过矩阵法详细计算和分析透射谱双峰的波长间隔、线宽、波谷深与光栅各段长度的关系,获得设计双π相移光纤光栅的准则,即:双π相移光纤光栅的双峰波长间隔主要由两个π相移的距离决定,谱线宽和波谷深主要由光栅π相移两端的长度决定.

基于π相移光纤布拉格光栅的窄线宽掺铒光纤激光器

窄线宽掺铒光纤激光器具有线宽窄、噪声低等优点,在光纤通信、光纤传感、相干探测和合成等方面有广泛的应用。利用自行设计并制作的π相移光纤光栅和高反射率光纤布拉格光栅(FBG),搭建了环形腔掺铒光纤激光器,利用π相移光纤光栅的窄带滤波特性实现了1.5μm波段的窄线宽掺铒光纤激光输出。当980nm半导体激光抽运功率为5 W时,激光输出功率为1.006 W,光-光转换效率大于20%,中心波长为1549.45nm,激光线宽为5.32pm。输出光没有残余抽运光,表明继续增加抽运光功率可以进一步提升激光功率。通过优化设计π相移光纤光栅的透射峰带宽、FBG的反射谱和激光腔结构,有望实现高效、高功率的单纵模激光输出。

π相移光纤光栅的温度调谐特性

根据π相移光纤光栅的温度可调谐原理,使用半导体制冷器(TEC)和制冷片控制π相移光纤光栅的温度,从而改变其中心波长。随着温度升高,π相移光纤光栅的中心波长向长波方向线性漂移,温度从0℃变化到95℃时,中心波长从1548.921nm变化到1550.664nm,波长改变量为1.743nm,灵敏度约为18.35pm/℃。为了验证π相移光纤光栅温度调谐的特性,采用与其匹配的高反光纤光栅构成了C波段环形腔光纤激光振荡器,利用π相移光栅的窄带滤波特性实现了窄线宽激光输出,并通过控制π相移光栅的温度实现了输出激光波长的连续调谐。

基于背景光调制的复合光傅里叶变换轮廓术

提出一种基于背景光调制的用于傅里叶变换轮廓术测量范围的复合光栅,该光栅通过调制一正弦条纹和不含任何相位信息的背景光来抑制零频,较基于π相移技术的复合光栅有更大的优势:背景光只含直流分量,使得复合光栅的频谱更加简单,有利于滤出载波信息,提高测量精度;对从复合光栅中解调出来的背景光只涉及平均值校准,校准过程更为简单;解调出的背景光与物体表面的反射率成正比,具有潜在的应用价值。采用Matlab程序对该复合光栅进行了数值模拟,并对该光栅实用性进行了实验研究,结果证实了该光栅用于抑制零频、扩大傅里叶变换轮廓术测量范围的有效性,且提高了测量精度。

离轴数字全息零级像和共轭像的消除方法

为了提高离轴数字全息图的再现像质量,提出了一种消除离轴数字全息零级像和共轭像的方法。该方法通过对参考光进行一次π相移、记录两幅全息图,对两幅全息图作差后进行傅里叶变换,结合频谱滤波的方法用矩形窗函数从中滤出包含有物光波频率成分的频谱,然后对其进行数字再现。结果表明,在零级像和±1级像有重叠的情况下,该方法能有效地消除零级像和共轭像的干扰,有效提高再现像质量。

傅里叶变换轮廓术测量方法的分析研究

对传统傅里叶变换轮廓术（FTP）、π相移法以及灰度图法测量结果进行对比分析。结果证明，随着被测物体高度梯度的增加，基于灰度图和π相移技术的改进傅里叶变换轮廓术取得了很好效果，特别是在梯度大于3的情况下适合采用π相移法，能更有效地提高傅里叶变换轮廓术的测量精度。

傅里叶变换轮廓术中零频对三维面形测量精度的影响

傅里叶变换轮廓术是一种测量物体表面三维形貌的技术,它只需要一幅干涉图即可对整个范围进行分析,其测量系统简约,分辨率高,计算机处理数据快,计算精度高,且具有很强的非接触测量优势,从而得到广泛的应用.本文采用了双色正弦条纹投影技术来消除零频的影响,该方法同传统的π相移方法相比,不需要相移装置,测量系统简单,能真正实现高速测量.本文从理论和实验上阐述了零频对三维面形测量精度的影响.

基于FP腔的大量程超声解调系统研究

针对光纤布拉格光栅(FBG)超声探测传感器测量灵敏度和量程相互制约的问题,文章提出了一种基于法布里珀罗(FP)腔和π相移FBG(π-FBG)的解调方案。文章分析了利用FP腔解调的原理并进行了详细的数值仿真分析。理论分析表明,利用FP腔的两个纵模作为一组解调器同时解调,可将系统灵敏度提高两倍,并且具有很好的线性度。扩展到多个纵模时可构建解调器阵列,从而极大地提高了系统的量程,有效地解决了测量灵敏度和量程相互制约的问题。数值仿真结果表明,该方案在实际可操作参数范围内切实可行,并具有灵敏度高和响应速度快等优势。

边孔相移光纤光栅测量压力温度的仿真及优化

油井内压力及温度的测量是智能完井系统的重要组成部分。为了能在井下环境实现单点、压力温度双参量测量,且最高压力可达30 MPa,温度可达120℃,本文提出一种在圆心边孔光纤(side hole fiber,SHF)上刻写π相移光栅的压力温度传感器。首先对边孔π相移光纤光栅同时测量压力及温度进行了理论推导,证明同时检测压力温度的理论可行性。其次,在理论的基础上,对SHF进行了仿真优化,并引入断裂极限限定条件,得到SHF的最优尺寸为孔中心距27μm,孔半径21.5μm。结果表明:SHF能实现单点双参量的测量,π相移光栅的引入提高了测量分辨率;SHF的孔半径越大孔越靠近纤芯,压力灵敏度越高,但考虑光纤断裂情况则并不是半径越大越好。该研究对特定压力测量范围下的边孔光栅压力温度传感器设计有指导意义。

基于复合光栅投影的快速傅里叶变换轮廓术

在实际傅里叶变换轮廓术测量中,获取条纹图的零频分量对傅里叶变换轮廓术的测量精度和测量范围有很大影响,甚至妨碍三维面形的正确重建。π相移技术常被用来消除零频分量对傅里叶变换轮廓术测量的影响,但它需要采集两帧具有π相位差的条纹图,这影响了傅里叶变换轮廓术测量方法的实时性。提出采用复合光栅投影来实现从一帧条纹图中消除零频对傅里叶变换轮廓术测量的影响,该复合光栅是由两个不同频率的载频分别调制与其方向垂直的两帧具有π相位差的条纹并叠加形成的。实验表明,同传统的π相移方法相比,提出的新方法没有明显降低π相移傅里叶变换轮廓术的的测量精度,因此能真正实现实时高速测量。

基于彩色编码条纹投影的孤立物体三维测量

针对空间分布呈区域状、不连续的孤立物体采用条纹投影与相位分析方法进行三维面形测量时,很难得到可靠的相位展开这一问题,提出了通过先后投影两幅π相移的彩色编码正弦条纹到孤立物体表面,方便快捷地还原对应区域颜色信息,同时利用截断相位分布的阶跃边界获得更准确的分色结果,用以指导相位展开。实验验证了方法的有效性。