基于阵列波导光栅的光纤布拉格光栅解调技术综述

基于阵列波导光栅的光子集成解调技术是硅光领域的研究热点和难点.相比传统解调方法,基于阵列波导光栅的光子集成解调技术因其解调精度高、解调速度快、封装体积小等优势,在光纤布拉格光栅的高速、高精度解调上具有明显优势.近年来,随着光子集成技术的发展,各科研院所和相关机构对阵列波导光栅的光子集成解调法进行了广泛深入的研究与优化.本文通过介绍阵列波导光栅工作原理及基于阵列波导光栅的光纤布拉格光栅波长解调原理,结合基于阵列波导光栅的光纤布拉格光栅解调仪在材料体系和系统性能两个方面的重要进展,归纳了基于阵列波导光栅的解调仪的典型应用场景,从新材料、系统集成和规模化三方面对光纤布拉格光栅解调系统的未来发展提出针对性建议,为基于阵列波导光栅的光子集成解调技术的研究发展提供参考.

基于双金属结构的光纤光栅温度不敏感滤波器

为提高光纤陀螺宽谱光源的平均波长稳定性,提出了一种用60μm超短光纤光栅制作带宽11.77 nm温度不敏感滤波器的方法。利用金属材料的热膨胀系数差,设计了双金属温度补偿结构,能够随温度的升高/降低对光纤光栅压缩/拉伸,有效地补偿光纤光栅由热光效应引起的波长变化。在30~60℃的温度范围内,光纤光栅的温度灵敏度系数为0.15 pm/℃,较未补偿前降低了60倍以上。该结构具有较好的温度不敏感性,可作为光源滤波器提高光源的平均波长稳定性并有望用于高精度光纤陀螺。

软体气动驱动器弯曲变形光纤传感与形状重构

为解决软体气动驱动器弯曲变形的柔性传感测量问题,提出将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层进行曲率测量与形状重构的方法。建立了软体机构变形光纤传感重构算法模型,理论分析了光纤光栅光谱变化与应变限制层弯曲曲率的关系。搭建了基于光纤光栅特性的软体传感、解调及曲率标定装置,实验分析了不同曲率下光纤光栅反射光谱的特征,得出光纤光栅中心波长漂移量与弯曲变形曲率的关系,计算得出软体气动驱动器在不同弯曲状态下的曲率值,重构出软体气动驱动器的变形形状,验证了形状重构结果的正确性。实验结果表明:将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层,利用光纤光栅反射光谱变化可实现软体驱动器的曲率测量与形状传感,3种弯曲状态下光纤光栅传感测量值与软体驱动器曲率标定值之间的最大误差为2.1%。该光纤传感方法在软体气动驱动器柔性传感与闭环控制方面具有广阔的应用前景。

植入光纤光栅的软体驱动器形状传感研究

软体机器人由于具有柔顺性和适应性等特点,在外科手术和狭窄空间等方面具有无可比拟的优势,为了实现微创手术等狭小空间中软体驱动器的姿态传感监测,提出基于植入式光纤光栅的柔性传感方法,首先将光纤布拉格光栅(FBG)植入在软体驱动器中;然后在软体驱动器的不同弯曲状态下,通过实验测试分析FBG点的光谱、波长漂移量和曲率等信息,利用3次样条插值等算法实现软体驱动器的三维形状拟合重构。实验结果表明,驱动器实际弯曲角度和重构算法之间的误差不足4.5%,传感器重复性的偏差指数不足7%。所提出的基于植入式光纤光栅的柔性传感方法可以实现软体机器人的姿态传感监测,在医疗外科手术领域具有广阔的应用前景。

光纤植入聚酰亚胺薄膜柔性曲率传感器

面向软体机器人、变构型飞行器、可穿戴医疗装备等领域的柔性传感应用需求,提出一种植入光纤光栅敏感元件的聚酰亚胺薄膜柔性曲率传感器。研究了柔性薄膜光纤光栅传感器的传感原理、传感结构设计与光栅植入方法,建立了光纤传感、解调及曲率标定装置;实验分析了聚酰亚胺薄膜曲率与光栅中心波长漂移量关系,实验测得光纤光栅植入深度与柔性曲率传感器灵敏度的定量关系,验证了所提出柔性曲率传感器的可行性。研究结果表明,光纤光栅植入聚酰亚胺薄膜的曲率传感器可用于柔性变形传感测量,在0～30.03 m^(-1)的曲率范围内,光纤光栅植入深度为0.1 mm时,聚酰亚胺薄膜曲率传感器达到最大灵敏度50.65 pm/m^(-1)。光纤光栅植入聚酰亚胺薄膜的柔性曲率传感器可应用于柔性传感测量领域。

光纤光栅链路反射谱强度自适应解调

针对解调仪单通道多光栅反射谱强度差异过大,导致无法有效寻峰或寻峰误差增大的问题,提出了利用不同曝光周期多次曝光解调的方法调整峰值,根据光谱数据直方图来确定寻峰阈值。分析了谱峰峰值对寻峰稳定性的影响,建立了曝光周期、寻峰阈值自适应调整规则,用LabVIEW软件实现了自适应寻峰解调算法。通过实际光纤光栅传感器测试,可完成差异过大反射光谱的自动曝光和寻峰解调处理,在保证寻峰稳定性的前提下,有效提高了谱峰识别数量、解调系统自适应能力和工作可靠性。通过实验发现,谱峰峰值在光强饱和值70%~90%范围内寻峰稳定性最高,寻峰得到的中心波长标准差在0.5 pm以内,稳定性比单次曝光解调提高了50%,程序运行时间在100 ms以内,可以实现快速解调。

基于改进型LSTM的电力设备温度预测方法研究

实现电力设备温度的准确预测对于保障电力系统安全和提高维修效率具有重要意义。传统预测方法无法满足高精度的预测要求,提出一种基于改进型长短期记忆(long short-term memory,LSTM)神经网络的电力设备温度预测方法,利用去池化的卷积神经网络(convolutional neural networks,CNN)对时间序列进行局部特征提取,然后利用LSTM设计的循环递归层对时间序列进行长期特征提取,实现电气设备温度预测。在首都国际机场的供电设备运行状态监测数据集的实验结果表明,温度预测值在20~60 min内预测精度优于1℃,且均方根误差(RMSE)0.12均小于其他温度预测模型,可以有效实现电气设备温度预测。

螺旋布设光纤光栅的软体操作器形状传感方法

为实现微创手术软体操作器弯曲伸缩运动时的形状测量,提出一种螺旋布设光纤光栅形状传感方法。不同于传统的直线形布设方法,螺旋形布设方法可以防止软体操作器弯曲伸缩运动时,光纤光栅的折断、脱胶现象发生。理论分析了螺旋布设光纤光栅的传感原理及弯曲变形的重构算法;制备了光纤光栅沿螺旋形布设在软体操作器表面的试样;搭建了软体操作器弯曲变形的实验系统;实验分析了软体操作器在不同弯曲状态下,螺旋布设光纤光栅中心波长漂移量与弯曲角度间的变化规律,并重构出软体操作器的变形形状。实验结果表明:螺旋布设光纤光栅在软体操作器中不同位置的灵敏度最大为7.1pm/(°),软体操作器弯曲角度实际测量值与理论重构值间的最大误差不足4.29%。螺旋形光纤传感方法可用于软体操作器形状传感与重构。

基于深度学习的机翼蒙皮载荷计算方法

针对传统的载荷标定方程计算机翼蒙皮载荷精度低的问题,提出了一种基于深度学习的机翼蒙皮载荷计算新方法。考虑真实机翼蒙皮受力复杂,首先建立了机翼蒙皮试验件模型,使用Ansys仿真软件对试验件进行有限元分析,获得应变与载荷仿真数据,并对仿真数据进行数据清洗与预处理;其次,构建深度神经网络模型,将应变与载荷作为神经网络模型的输入与输出值,采用Adam算法优化提出的载荷计算模型;最后,在测试集上对载荷值进行预测,使用平均相对误差与绝对值差作为评价指标。实验结果显示,基于深度学习的载荷计算方法在小载荷数据上平均绝对误差为0.081 N,在正常载荷数据上的平均相对误差为0.0638%;与传统载荷计算方法比较,本文提出的新方法计算的载荷精度明显优于传统方法。

CO2激光熔融毛细管端面制备的光纤F-P压力传感器

提出了一种利用CO2激光熔融毛细管端面来制备光纤法布里-珀罗(F-P)压力传感器的方法。F-P结构由普通单模光纤和基于CO2激光熔融毛细管端面制备的硅薄膜组成。文章详细说明了硅薄膜的制造工艺和熔融参数,并对光纤F-P压力传感器进行了性能测试。实验结果表明:制备的光纤F-P压力传感器对气压具有良好的灵敏度和线性度,灵敏度可达到16.37pm/kPa,线性度为0.998。该光纤F-P压力传感器结构紧凑,易于生产,具有在极端恶劣环境下的应用潜力。

超声脉冲纵波调制光纤光栅的光谱特性研究

针对光纤光栅传感器网络密度与容量的提高,提出将超声脉冲纵波导入光纤,传播过程中将会影响光栅的光谱,实现对光纤光栅进行标记与区分。开展了不同激励信号参数对于光纤光栅光谱影响的研究,利用ANSYS软件对超声脉冲纵波在光纤中的传播过程进行仿真,建立了基于傅里叶模式耦合理论的超声脉冲纵波对于光谱的调制模型,并对该模型进行了仿真分析。仿真结果表明,与梯形脉冲纵波相比,在相同条件下高斯脉冲纵波调制幅度减小12 pm,但调制稳定性优于梯形脉冲纵波,减小高斯脉冲纵波脉宽会提高调制幅度,但是脉宽过小会使应变产生拖尾,降低调制效果。在本文的条件下脉宽为34μs的高斯脉冲纵波调制效果最佳,可以在保证调制幅度为82 pm的同时使得光谱中心波长红移蓝移各一次。仿真结果为超声脉冲纵波调制光纤光栅激励信号参数的选择提供了参考,为利用超声脉冲纵波区分光纤光栅打下基础。

基于神经网络的星敏支架指向倾角监测方法

针对星敏支架热致变形导致其指向精度降低的问题,提出了一种基于神经网络的指向倾角监测方法。首先,分析星敏支架结构特征,搭建星敏支架指向倾角预测系统,采集星敏支架结构形变和倾角变化数据,并对实验数据进行预处理;其次,构建深度神经网络模型,将星敏支架模型各测量点的应变信息作为输入变量,并使用Adam优化算法更新网络参数,经训练迭代后得到指向倾角预测模型;然后针对传统深度神经网络收敛速度慢、容易产生局部最小值等局限性,使用遗传算法对深度神经网络的超参数进行优化,以提升神经网络的训练速度;最后使用测试集数据对星敏支架指向倾角变化进行预测,分析该模型在不同温度条件下对星敏支架指向倾角监测的准确率。实验结果表明,优化后深度神经网络模型的指向倾角预测方法的平均误差为0.20″,且倾角预测精度明显优于传统算法,证明利用深度学习方法实现星敏支架指向倾角监测具有可行性。

基于双AWG的新型FBG连续解调方法研究

为了实现基于阵列波导光栅(arrayed waveguide grating, AWG)的光纤布拉格光栅(fiber Bragg gratin, FBG)的连续解调,提出了一种使用两个AWG联合解调的方法。在一个AWG相邻两通道光谱中间插入另一个AWG对应通道的光谱,组成最小的光谱周期;每次测量均从三通道中选择光强度最强的两个通道,利用相对光强解调算法,根据其波长—功率关系对FBG中心波长进行精确测量。使用两个100 GHz的AWG搭建了实验平台,并对温度传感器的解调进行研究。实验表明,在0.8 nm的系统最小动态范围周期内,实现了对FBG的连续精确解调,系统的解调线性度达0.999 1,波长精度达±4 pm。对数据和实验结果进行数学分析,可以将C波段范围分成多个波长周期,系统可以实现在C波段40 nm全周期范围内对单个FBG的连续解调。该方法不但可以实现在C波段范围内基于AWG对FBG的连续解调,使得运用FBG可以连续感测外界物理量变化,提高了系统的实用性。而且,该方法能够准确解调出波长信息,为实现对FBG的连续精确解调提供了借鉴信息,有利于进一步扩大FBG的应用领域。

预写入标尺实现光纤光栅布拉格波长精确控制

为提高光纤布拉格光栅(FBG)中心波长的刻写精度,提出了一种基于预写入标尺的FBG波长控制方法,并建立了预写入标尺波长与目标波长之间的关系。预写入标尺指的是在正式刻写指定波长(λ;)的FBG前预先刻写的弱FBG。首先,使用单个低能脉冲照射受一定预紧力作用的光纤,使之形成一个微弱但可测得反射峰的弱FBG,其反射中心波长为λ;接着撤去预紧力,测得松弛后的弱FBG的反射中心波长为λ;然后根据FBG中心波长漂移与受力大小的变化关系计算得到λ;,改变预紧力使FBG的反射波长变为λ;最后用高能量脉冲完成FBG的刻写,此时,松弛后的FBG的反射中心波长应为指定波长λ;。用预写入标尺法刻写了6种不同波长的FBG,FBG中心波长的刻写值与理论值的一致性较好,FBG刻写波长的误差均值为0.007nm,误差标准差为0.029nm。此方法实施简单,稳定可靠,能有效提高FBG中心波长的刻写精度。