摘要:布里渊光时域光纤传感是一种连续分布式光纤传感技术,可广泛用于获取沿传感光纤的温度和应变等物理量分布。如何提高布里渊散射信号的测量和处理速度,以满足工程应用中的快速测量需求,是布里渊光纤传感领域研究者的主要关注点之一。文章通过分析传统布里渊光时域光纤传感系统的耗时来源,综述了近年来基于频率调制、功率谱测量、图像处理去噪和布里渊谱拟合方法改进等布里渊光时域传感中的快速测量技术研究进展。

摘要:光纤形态传感技术是解决柔性体形态测量、光电缆实时形态跟踪、医疗介入针轨迹实时跟踪等3D形态恢复问题的创新型技术方案。光纤形态传感技术以光纤作为敏感元件,传感器具有结构简单、易于嵌入安装、测量不需要视觉接触、耐腐蚀,以及抗电磁干扰等优点,适用于水下、地下等复杂环境中的大尺度结构形态测量。近年来,光纤形态传感器受到了越来越多的关注,文章综述了光纤形态传感技术的最新研究进展,以一维曲率传感器、全向型曲率传感器和空间形态传感器为线索,介绍了各阶段传感器的研究现状以及面临的挑战。

摘要:磁流体具有优异的磁光特性,为光纤磁场传感器的实现提供了一种新途径,经过十多年发展,已经成为光纤磁传感领域的一个重要研究方向。目前,已有大量的基于不同结构和原理的磁流体型光纤磁场传感器被相继提出,且总体上经历了从标量到矢量磁场传感的发展,文章以该发展脉络为主线,对磁流体的磁光特性、传感器的实现方法进行梳理和总结,最后指出当前仍存在的一些问题并进行展望。

摘要:无人机、机器人以及自动驾驶等领域对光纤陀螺尺寸、重量、成本综合性能提升有着迫切的需求,具有小体积、高性能、低成本等技术优势的集成化光纤陀螺成为目前的研究热点。文章梳理了美国、俄罗斯等在集成化光纤陀螺方面的最新研究成果和产品技术动态,从集成光学芯片设计加工、微小型高对称光纤环圈绕制、集成光学芯片与微小型光纤环圈直接耦合三个方面,阐述了集成化光纤陀螺面临的技术和工艺难题,分析了解决方案。最后,展望了集成化光纤陀螺的未来发展趋势和应用前景。

摘要:为了提高布里渊光时域分析系统(BOTDA)在长距离监测应用中的实时性,提出了一种基于压缩感知的布里渊光时域系统实时性增强方法。该方法包含稀疏表示、随机采样和信号重构三个部分。首先采用K-均值奇异值分解算法获得布里渊增益谱的稀疏表示,然后通过高斯随机采样和正交匹配追踪算法进行布里渊增益谱重构。为了验证所提方法的性能,仿真生成了不同信噪比水平的布里渊增益谱,搭建了45km的布里渊光时域系统进行温度传感实验。仿真和实验结果表明:在累加平均次数为100时,所提算法将信噪比提升了6.37dB,优于累加平均次数3000时的10.13dB,对应测量时间减少了1/30；采用8MHz步长数据重构布里渊增益谱,该方法的重构结果与4MHz步长数据的相关系数为0.9992,对应扫频时间减少了一半。所提算法在保证测量精度的同时提升了测量实时性。

摘要:基于光纤光栅的模式耦合理论,用传输矩阵法对长短周期级联光纤光栅的传输谱特性进行分析。先由耦合模方程分别得到长周期光纤光栅(LPFG)、连接光纤段和短周期光纤光栅(FBG)的传输矩阵,然后将它们相乘得到总的传输矩阵,最后再结合边界条件求得长短周期级联光纤光栅(CLBG)的传输谱。进一步对CLBG的传输谱进行了数值模拟,并通过实验进行了验证。实验结果表明,CLBG的传输谱中出现了由纤芯模和包层模耦合形成的两个谐振峰,与模拟计算的结果一致,证明了传输矩阵法求解CLBG传输谱的可行性,为CLBG在多参量传感和测量领域的广泛应用提供了理论支持。

摘要:储罐在覆土情况下,可能会因土壤压力导致罐体变形从而产生泄漏,故采取可靠的罐体泄漏在线监测技术,在确保储罐生产安全中显得尤为重要。为解决目前储罐泄漏安全监测存在的定位精度低、响应速度慢、监测范围小等问题,文章采用弱反射型布拉格光栅阵列(FBG)双波长波分/时分混合复用组网技术实现对覆土储罐表面温度全时、全域在线监测。FBG阵列测温精度为±1℃,传感器空间分辨率为1m,经过对覆土储罐两个月的数据监测和高压充水实验,分别验证了传感器在覆土情况下的长期稳定性和可靠性。结果表明,将FBG应用到储罐监测中,将有效提高储罐的生产安全性,具有较大的推广应用价值。

摘要:干涉式光纤陀螺在空间环境下受粒子辐射、电磁场等多种物理场共同影响,使角速度输出误差劣化。文章通过分析光纤陀螺磁场误差主要来源,推导了光纤陀螺磁场误差模型。基于磁场误差模型探究辐射对磁场误差相关参数的影响,建立辐射诱导磁场误差变化理论模型。在此基础上,通过影响机理分析和实验验证,确定辐射主要通过影响维尔德常数和光纤应力双折射进而影响光纤陀螺输出零偏。进一步地,通过搭建小型化光纤陀螺样机,对保偏光纤环进行辐射处理并进行了相应磁场误差测试。测试结果表明,光纤陀螺磁场误差随辐射总剂量发生变化,其变化规律符合辐射诱导磁场误差变化模型。

摘要:针对振动测量中三维振动信号测量需要,基于柔性铰链设计了一种光纤光栅(FBG)三维加速度传感器。构建了传感器拾振机构的振动模型,介绍了传感器的结构模型和测量原理,推导了传感器谐振频率和灵敏度理论公式,建立了拾振机构的数学模型,并用MATLAB对传感器拾振机构关键尺寸参数进行优化设计。根据优化后尺寸制作了传感器,通过振动实验对其进行性能测试。实验结果表明:该传感器在X轴、Y轴和Z轴方向的谐振频率分别为673,667和1376Hz,工作频率区间分别为0~220Hz,0~220Hz和0~450Hz,灵敏度分别为72.3,70.2和83.1pm/g。所设计的传感器具有较好的横向抗干扰能力,能够满足三维振动信号测量的要求。

摘要:蓝宝石为晶体材料,其熔点为2045℃,具有高强度、高耐热性、高抗腐蚀性等良好的高温物理化学性能。单晶蓝宝石光纤可以在高于1000℃的超高温下传输光信号,基于其制作的蓝宝石光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)传感器耐超高温、本征安全,适用于危险、恶劣的环境中,近年来,得到广泛研究,已研制出用于超高温环境的蓝宝石光纤温度、压力、振动传感器。文章综述了蓝宝石光纤F-P传感器的研究进展,介绍了课题组在蓝宝石光纤传感技术方面的研究成果,最后对传感器的研制提出了改进建议。

摘要:近年来锂离子电池安全事故频发对锂离子电池产业带来比较严重的影响,为减少此类事故发生,可采用电池管理系统对锂离子电池进行安全管理,保证其正常运作。管理过程中利用传感器对电池参数进行监测十分必要,光纤传感器具有体积小、抗电磁干扰能力强、可分布式测量等优势,可实现对锂离子电池的精准监测。文章从锂离子电池监测需求出发,简要介绍了三种主流光纤传感原理,并综述了各种用于锂离子电池监测的光纤传感最新研究成果,最后对光纤传感技术在锂离子电池参数监测中的应用做了展望。

摘要:采用非本征法布里-珀罗干涉(EFPI)方案,设计了一种基于铬金复合金属薄膜的声波传感器,采用基于快速傅里叶变换的相位解调方法解调光纤端面和换能薄膜之间的白光干涉,提高了相位灵敏度。实验结果表明,传感器在声波频率5~1000Hz内,灵敏度保持在-119.98~-120.99dB re 1 rad/μPa范围内,灵敏度变化小于1.01dB,具有较宽的响应平坦区间；在频率150Hz,声压0.18~5.30Pa的范围内工作稳定,且声压和相位之间具有良好的线性关系。

摘要:基于光纤环形激光器的新一代光纤传感系统通过解调激光波长偏移来检测外界参量变化,得利于激光光谱窄线宽及高信噪比的特性,可实现高分辨率、高灵敏度、大动态范围的传感监测。文章介绍了包括基于光纤光栅、迈克尔逊干涉仪、法布里-珀罗腔、萨格奈克环以及马赫-曾德尔干涉仪等多种结构的光纤传感器工作原理,以及进一步构成光纤环形激光传感器的特性和多种应用案例,并对未来该领域的关键技术发展进行了分析。

摘要:随着远程光纤水听器系统传输距离的不断扩展,各类光学非线性效应的影响日益凸显,并已成为制约远程光纤水听器系统性能的瓶颈。回顾了远程光纤水听器系统中光学非线性效应研究进展,对系统中存在的光学非线性效应进行分析,并重点介绍了系统中受激布里渊散射与调制不稳定性的产生机理及其对系统相位噪声的影响,并介绍相应的抑制方法。

摘要:分析了影响光纤陀螺仪测试精度的主要误差因素,详细研究了速率转台、测试工装、时间基准源等常见测试设备对光纤陀螺误差的影响。提出了基于高精度计数器对于转台精度评价结合长周期、转台固定周数的测试等抑制方法。实验结果表明,采取抑制措施后,测试工装误差引起的零偏测试误差减小了66.7%,速率转台误差引起的标度因数绝对误差以及时间基准误差引起的标度因数重复性误差均减小了一个数量级。研究结果对高精度光纤陀螺仪精度的提升以及测试设备的改进具有指导意义。

摘要:测量技术正不断向着精密化、智能化、集成化的方向发展,具有代表性的光谱共焦测量技术是在激光共焦显微技术的基础上发展而来,利用色散原理和光谱仪解码分析实现高精度测量。光谱共焦测量技术可进行位移测量、三维重建、表面粗糙度检测和厚度检测,具有无接触、高效率、在线测量等优点,在精密测量中发挥着重要作用,被广泛应用于微电子、工程材料、生物医学和航空航天等领域。近年来,光谱共焦系统在光学系统结构、光学镜头设计、光源优化和数据处理算法等各个方面取得了重大进展。文章对光谱共焦测量技术进行综述,论述了光谱共焦测量技术相较于其他测量方法的优势,综述了光谱共焦技术的测量原理、发展历程与应用进展,并对光谱共焦测量技术的发展趋势进行了展望。

摘要:为了提高CMOS图像传感器的动态范围并应用于昼夜兼容成像,提出了一种新的动态范围拓展方法。该方法在像素中设置多个复位屏障,以延长曝光过程中光电二极管的饱和时间,同时通过在不同成像环境中切换像素积分电容大小,提高微光成像时的响应灵敏度和强光成像时的满阱容量,从而实现昼夜兼容高动态成像。经MATLAB仿真证明,该方法可将传统CMOS图像传感器的动态范围从61dB拓展到102dB。

摘要:In0.53Ga0.47As雪崩光电二极管单光子探测器(SPAD)的响应覆盖短波950~1700nm,具有体积小、灵敏度高等特点,在量子通信、激光测距、激光雷达等应用有广泛前景。工作温度是影响In0.53Ga0.47As SPAD性能的重要因素,温度越高暗计数率越大,导致器件的噪声也越大。研究器件温度特性是实现暗计数抑制的重要途径。建立了数学模型来提取器件光电性能参数,通过分析吸收层、倍增层中载流子对温度的影响,获得最优器件结构参数。最后,制作了光敏面直径达到70μm的In0.53Ga0.47As SPAD芯片,并进行了封装测试。结果显示,70μm In0.53Ga0.47As SPAD在室温下的探测效率为14.2%,暗计数率为88.6kHz,噪声等效功率为3.82×10-16W·Hz-1/2,仿真结果与测试结果的拟合曲线一致。

摘要:阈值电压、栅内阻、栅电容是碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的重要电学参数,但受限于器件寄生电阻、栅介质界面态等因素,其提取过程较为复杂且容易衍生不准确性。文章通过器件建模和实验测试,揭示了MOSFET的栅电容非线性特征,构建了电容-电阻串联电路测试方法,研究了SiC MOSFET的栅内阻和阈值电压特性。分别获得栅极阻抗和栅源电压、栅极电容和栅源电压的变化规律,得到栅压为-10V时的栅内阻与目标值误差小于0.5Ω,以及串联电容相对栅源电压变化最大时的电压近似为器件阈值电压。相关结果与固定电流法作比较,并分别在SiC平面栅和沟槽栅MOSFET中得到验证。因此,该种电容-电阻法为SiC MOSFET器件所面临的阈值电压漂移、栅极开关振荡现象提供较为便捷的评估和预测手段。

摘要:从电荷耦合器件(CCD)的满阱电荷容量和片上放大器的工作电压范围两个方面对器件的节点电荷容量进行了设计,并推导出输出节点电荷容量设计的优化公式。从公式中可以看出,输出节点的电荷容量设计除了需要满足CCD信号电荷转移本身所需的容量值以外,还必须保证节点处的电压变化范围在输出放大器线性工作区域内,才能使信号电荷能够完整线性地被放大器输出,从而保证CCD器件整体的非线性和满阱容量性能。因此,输出节点电荷容量的设计除了需要考虑节点自身的电容外,还应综合考虑输出放大器相关MOS管的宽长比、阈值电压、工作电压等因素。

摘要:分析了多量子阱材料各参数对其TE模和TM模有效折射率的影响。结果表明:阱数增多,多量子阱有效折射率降低,当量子阱数目大于3时,其有效折射率的变化不明显。垒厚增加,有效折射率略有降低。存在合适的张应变量使TE模和TM模有效折射率峰值波长接近的同时,折射率差值整体最小,偏振相关性最小。据此提出多量子阱材料有效折射率低偏振相关设计方法,并设计出C波段内(1530~1565nm)折射率低偏振相关的InGaAs/InGaAsP多量子阱材料。研究结果有助于设计实用化的有效折射率低偏振相关量子阱材料。

摘要:半导体型单壁碳纳米管在分散与分离过程中长度会被截短。在100nm以下的超短管的存在会增加管间搭接电阻和载流子的散射几率,从而导致器件性能的下降。开发了一种有机体系的硅胶吸附技术。利用硅胶颗粒表面的硅羟基与包裹在碳纳米管表面的聚合物PCz中的N原子形成氢键,成功实现了超短碳管的高效去除,使半导体型碳纳米管的长度分布实现了有效调控。基于长度分选后的碳纳米管制备的晶体管器件,其开态电流和最大跨导达到8.9μA/μm和0.5mS/μm,比长度未分选的器件分别提高了约300%和250%。

摘要:提出了一种光泵浦太赫兹探测技术的改进方案,使用双色飞秒激光场电离空气诱导等离子体辐射的超短宽带太赫兹脉冲作为探测脉冲,表征了硅的光激发动力学,通过表征过程验证了基于所提改进方案的光泵浦太赫兹探测系统的性能。硅的泵浦深度随泵浦功率的增加而提高,400nm泵浦光的泵浦深度大于800nm泵浦光。使用400nm泵浦光,p掺杂硅的泵浦深度最大,本征硅次之,n掺杂硅最小；而使用800nm泵浦光,p掺杂硅的泵浦深度最大,n掺杂硅次之,本征硅最小。此外,基于探测脉冲的超宽带宽和超短脉宽,还观测到了p掺杂硅中的亚皮秒激发态声子波包振荡。

摘要:利用旋涂银纳米线和磁控溅射ZnSnO薄膜相结合的方法,实现了高性能ZnSnO/AgNW双层透明电极的制备。采用X射线衍射仪和扫描电子显微镜对电极的结构和形貌进行了表征分析,利用紫外可见分光光度计和四探针测试仪分别对ZnSnO/AgNW双层透明电极的电学和光学性能进行了表征。结果表明,制备的ZnSnO/AgNW双层透明电极具有优异的电学和光学性能,在透过率为88.1%时,其方阻为12.3Ω/□,品质因子高达231。在5.0mm的曲率半径下,对ZnSnO/AgNW双层透明电极进行了1000次弯曲测试,其电阻仅增加了13%,表明ZnSnO/AgNW双层透明电极具有优异的柔性性能。此外,ZnSnO/AgNW双层透明电极经过20次胶带粘附测试和高温高湿测试后,方阻都基本保持不变,这说明ZnSnO/AgNW双层透明电极具有优异的粘附性以及抗氧化性。

摘要:提出一种基于畸变梯度重构畸变的在轨标定方法,该方法充分利用微角秒测量精度的星间距测量技术,不受恒星赤经、赤纬精度的限制,能使望远镜光学畸变的标定精度达到微角秒量级。介绍了基于畸变梯度重构畸变的原理,并对由光学设计软件导出的光学系统进行了畸变标定仿真实验,结果表明:当光学系统波像差控制在0.0733λ内且星角间距测量误差为0.3微角秒时,畸变标定精度可达0.28微角秒,满足近邻宜居行星探测的畸变标定要求。

摘要:针对高反光表面的三维重建一直是结构光技术中的重点及难点。文章基于多重曝光法及调整投影条纹强度法,提出了一种曝光时间序列以及条纹亮度序列的选择方法,利用被测物体在不同投影条件下的表面临过曝像素点数统计直方图,结合图像中像素点数的不过曝比例,计算所求的曝光时间及条纹亮度序列,完善了针对高反光表面的高动态范围技术。实验结果表明,文章提出方法能够有效地提升高反光表面三维重建的精度,点云中有效像素点数可以达到96%以上。

摘要:针对视觉同步定位与建图(SLAM)算法前端漂移误差累积问题,提出基于光学成像模拟的视觉里程计方法。该方法利用稠密三维点云数据进行目标表面泊松重建及材质物理特性关联,依据光学物理特性和光线追踪原理构建基于物理模型的成像渲染引擎(PBRT),生成不同观测条件下的目标特性仿真图像；将目标特性仿真图像与光学相机拍摄图像进行配准与运动偏差恢复,并设计扩展卡尔曼滤波器(EKF)输出位姿状态最优估计值。通过原型系统研制与实验评估表明:该方法有效克服了传统方法漂移误差累积的问题,相较传统ORB-SLAM2算法前端定位精度提升了56%,为视觉里程计的设计提供了一种新的技术思路。

摘要:基于传统数字射频存储的多普勒雷达干扰信号产生技术被证实为一种有效的方案,能够通过数字域存储雷达信号,并调制产生一定的频率偏移量,达到欺骗雷达的目的。此外,基于光学射频存储的雷达干扰信号产生技术虽然能够保留雷达信号的指纹信息,但无法产生预定的多普勒调制。文章提出了一种基于微波光子时间拉伸效应的多普勒雷达干扰信号产生技术,在光学射频存储的基础上,通过微波光子时间拉伸效应,在调制到光域的雷达脉冲信号中加入一定量的多普勒频移,达到对雷达速度欺骗的效果。并且对该项技术开展了仿真工作,验证了该方案的可行性和实现效果。

摘要:复杂背景下的红外图像通常存在信噪比低、邻近像素灰度变化不明显以及易被杂波信号和噪声干扰的特点,导致红外小目标检测困难。为解决上述问题,提出一种基于特征显著性融合的红外小目标检测算法。首先,在空间域中利用目标与其局部背景灰度差异来计算得到灰度显著图,在频域中结合谱残差计算得到背景抑制后的频域显著图；其次,将灰度显著图和频域显著图归一化后通过哈达玛乘积相互融合；最后,通过自适应阈值分割并使用Unger滤波器剔除较小的噪声点,从而提取出目标区域。实验结果表明,所提算法对图像的信噪比有了数十倍的提升,对背景抑制效果显著,并有着检测率高和虚警率低的优点,是一种有效的小目标检测算法。

摘要:提出了基于加权光耦合阵列的光电任意波形产生方案,利用不同波长加权和并行耦合的方法实现信号光域的数模转换。通过对信号的频谱分析发现,多波加权存在拍频噪声,经过波长预设和滤波处理,可以将高频噪声有效滤除,但在信号交变的时刻会有尖峰干扰出现,进一步通过与变换信号带宽匹配的滤波平滑处理后,尖峰干扰得到一定的抑制,可实现输入信号速率为10Gb/s、量化精度为5bit的光学数模转换,实现了三角波、锯齿波、高斯脉冲和方波序列等光学波形的输出。