空间扫描型光纤法布里珀罗传感解调中LED光源的影响研究

结合恢复单色频率绝对相位解调算法研究了光源输出参数对空间扫描型光纤法布里珀罗传感解调影响。建立了相位解调值随光源中心波长变化的数学模型,通过改变光源光功率和光谱进行了解调实验研究。结果表明压力解调值的误差值与光源输出光功率有关;当温度升高时光源光谱会产生红移,使压力解调值产生误差;解调值与光源光谱中心波长满足二次函数关系。实验结果与理论分析一致,在140kPa范围内保证0.1%的解调误差时,光源光谱中心波长波动小于1.79nm。     

压电陶瓷驱动的动态匹配光栅滤波解调法优化

提出并实验验证了一种动态匹配光栅滤波系统的优化解调方法.在压电陶瓷驱动的动态匹配(光纤)光栅滤波解调系统中,一方面采用上升高压锯齿波,以消除压电陶瓷滞回效应;另一方面将压电陶瓷电压与伸长量关系的反函数作为锯齿波上升电压,以校正压电陶瓷的非线性;进而,为实现解调系统的温度补偿,引入一根中心波长保持不变的参考(光纤)光栅.在锯齿波上升过程中,匹配光栅与参考光栅和传感(光纤)光栅在不同时刻匹配,匹配时间差仅与传感光栅有关,而与解调系统温度无关.实验结果表明,优化后系统的线性度可提高2%,灵敏度与理论值的相对误差小于0.6%;在10～60℃范围内,该解调系统温度变化引起的相对误差小于1%.     

一种基于光纤激光水听器的PGC改进解调算法

基于分布反馈式（DFB）光纤激光水听器，针对传统相位生成载波（PGC）解调方案中的不足，提出了一种新型的单路微分相除（PGC-SDD）解调算法。与传统的微分交叉相乘（PGC-DCM）和反正切（PGC-Arctan）解调算法相比，该方法仅需要双通道的1路信号作微分处理，以较少的运算步骤和计算量达到解调信号的目的。PGC-SDD算法能够更有效地应对环境引起的光强扰动和调制深度引起的谐波畸变，使解调结果更接近待测信号。对3种解调算法进行仿真和实验验证，结果表明:采用PGC-DCM解调其信噪比约12.4 dB，PGC-Arctan算法的信噪比约13.9 dB，PGC-SDD算法的信噪比达到了17.5 dB。     

用于静态/动态复合信号的改进对称解调技术

提出一种可测量外腔式Fabry-Perot传感器所加载的静态/动态复合信号的腔长自补偿改进对称解调技术。在对称解调技术的基础上，通过其输出信号的直流量判断传感器腔长的变化，从而划分腔长稳定段与突变段，分段并重新进行信号解调，以保证动态分量的解调精度；同时利用腔长变化前后计算出的干涉信号相位差对腔长的变化量进行补偿，以提高静态分量的测量精度。实验证明该解调技术能够实现对静态/动态复合信号的测量。实验中实现了幅度超过100μm复合信号的解调，大幅度腔长变化量的测量误差约为2%。该解调技术能够解调不同腔长传感器上加载的包含高频分量的静态/动态复合信号。     

CCD与CMOS像素传感器γ射线电离辐射响应特性对比研究

为了研究CCD与CMOS像素传感器对γ射线电离辐射的响应差异,对比研究了4类像素传感器的结构特点和辐射响应特性。通过辐射实验,对各传感器在不同辐射水平条件下的光子响应事件分布、平均灰度值以及典型光子响应事件进行研究。研究结果表明：光子响应程度均与辐射剂量率相关;CCD像素传感器的沟道传输方式使每列像元间的辐射响应更容易相互干扰;平均灰度值随剂量率的增大存在明显的梯度,各积分周期内输出信号灰度值围绕均值上下波动,CCD像素传感器输出信号灰度浮动范围较小;CMOS像素传感器各像元对光子的响应更加明显,CCD像素传感器各像元的响应信号易与相邻像元发生串扰;各类像素传感器典型辐射响应事件区域中发生光子响应的像元数量随剂量率的增大而增多,响应事件并非单个光子的行为,而是反映了多个光子在区域内同时沉积能量的过程。本研究为开发像素传感器的γ射线辐射探测技术和应用提供了重要的理论分析和实验数据支撑。     

四分束风成像偏振干涉仪信噪比的研究

新型静态偏振风成像干涉仪采用四面角锥棱镜与偏振阵列的组合结构, 在CCD的四个分区上一次得到四个不同相位的干涉图, 可以实现对目标的实时探测, 克服了动镜扫描探测模式不能对快速变化目标进行精确探测的缺陷. 由于光束被四等分, 强度大幅度下降, 微弱的气辉信号能否被探测到成为研究的关键. 本文从目标气辉光谱的特性出发, 分析了静态偏振风成像干涉仪系统的光学传输特性和响应特性, CCD的噪声水平及系统信噪比, 得出弱信号夜气辉在常规的探测模式下探测不到的结论. 采用延长光积分时间, 像素合并技术和选用探测灵敏度高的电子倍增CCD等措施, 均可以有效改善信噪比, 并计算出几种措施综合运用后系统的信噪比和响应度. 考虑到成本和目标的快速变化, 仅采用像素合并技术, 模拟了信噪比和数字化输出随辐射强度的变化曲线, 结果表明可实现对夜气辉等微弱信号的探测.     

具有复合式法珀腔的光纤压力传感器的解调

对由三个反射面构成的复合式法珀腔的光纤法珀压力传感器进行了输出光谱理论分析,提取了含有传感器腔长信息的包络.提出了基于干涉级次拟合的解调算法,仿真分析了传感法珀腔腔长范围为160～215μm的光谱信号.结果显示,在不同信噪比下,基于干涉级次拟合的算法可获得较好的测量准确度,同一信噪比下,该准确度不依赖腔长变化,也不依赖光谱解调波长分辨率变化.实验结果表明,基于干涉级次拟合结果曲线残差的均方根差为0.012μm,验证了该算法的有效性.     

基于线型腔掺铒光纤激光器的光纤光栅传感实验研究

提出了一种基于线型腔掺铒光纤激光器的光纤布拉格光栅传感解调系统,并进行了理论分析和实验验证。此传感系统具有稳定性好、信噪比高、结构简单等特点。实验结果表明:在常温下光纤光栅传感解调系统能很好的实现光纤光栅传感信号的传感和检测;15m掺铒光纤用作增益介质可以产生较大信噪比的稳定激光输出,系统在4nm范围内的解调精度为0.04nm。     

固态图像传感器的电离辐射响应均匀性

研究并对比了6类电荷耦合器件和互补金属氧化物半导体图像传感器的辐射响应均匀性。设计辐射实验,对像素阵列中响应信号在不同统计区域内的像素值增量平均值和非均匀度进行分析与讨论,重点研究了各类固态图像传感器像素阵列全局、区域和代表像元的辐射响应均匀性。实验结果表明:在稳态γ射线辐射场辐照条件下,帧图像中的响应信号增量并非固定值;像素阵列各区域内响应信号的均匀性不因辐照剂量率的变化而变化,对于相同的图像传感器,辐射在任意帧图像中产生辐射响应信号的分布与像素阵列中任意像素在多帧图像中出现辐射响应的分布相同,但由于传感器的本底噪声存在差异,单个像元、区域像素的统计结果与全局存在偏差。本研究为提高基于图像传感器的γ射线辐射探测技术,实现无遮光条件下在线辐射探测提供了理论依据和数据支持。     

基于经验模态分解消噪的光纤光栅解调系统

为了提高光纤Bragg光栅解调系统的解调准确度,提出利用经验模态分解对信号进行滤波分析和降噪处理的方法.该方法将经验模态分解得到的固有模态函数,分为信号分量起主导作用模态与噪音分量起主导作用模态,并利用反映信号主要结构的模态对信号进行重构实现去噪.实验表明,解调系统输出信号能够识别出中心波长的位置,精确得到Bragg波长的漂移量,输出谱失真小、信噪比高.对温度实验数据进行曲线拟合,拟合线性度为0.998,提高了系统的解调准确度.     

扫描激光器型光纤光栅解调仪设计

设计了一种扫描激光器型光纤光栅波长解调仪,采用滑动平均滤波方法拟合光纤布拉格光栅反射谱,基于扫描激光器输出的同步触发信号与波长对应性,计算得到光纤布拉格光栅反射谱的中心波长,简化了解调过程。相比传统的宽带光源解调方法,降低了解调的复杂度和不稳定性,实现对布拉格波长的高精度、快速解调。实验结果表明,解调仪对光纤布拉格光栅波长的解调稳定性可达±2pm,温度与波长变化的线性度达到0.9984,温度测量误差小于0.5℃,能够满足实际应用的需要。     

具有复合式法珀腔的光纤压力传感器的解调

对由三个反射面构成的复合式法珀腔的光纤法珀压力传感器进行了输出光谱理论分析,提取了含有传感器腔长信息的包络.提出了基于干涉级次拟合的解调算法,仿真分析了传感法珀腔腔长范围为160~215 μm的光谱信号.结果显示,在不同信噪比下,基于干涉级次拟合的算法可获得较好的测量准确度,同一信噪比下,该准确度不依赖腔长变化,也不依赖光谱解调波长分辨率变化.实验结果表明,基于干涉级次拟合结果曲线残差的均方根差为0.012 μm,验证了该算法的有效性.     

小型化光纤光栅解调系统设计及寻峰算法的模拟评测

为实现光纤布拉格光栅（FBG）反射光谱信号的实时监测，基于全固态光谱模块设计了用于解调FBG信号的硬件系统和软件架构，编写了上位机软件，嵌入了不同的寻峰算法，可适用于不同噪声环境下中心波长的计算，以减少由算法带来的波长误差。软件还包括数据采集、存储及回放等功能。以高斯拟合寻峰算法为例，提出了一种不依赖硬件设备对寻峰算法进行模拟评测的方法，提高了这类光谱解调系统的开发效率。采用叠加了不同噪声水平的理想FBG反射谱进行模拟评测实验，结果表明，阈值取为噪声平均幅值的2倍时可获得最佳的寻峰结果，且寻峰误差与采集数据的信噪比（SNR）和光谱峰宽成反比。运用高斯拟合寻峰算法对硬件系统实际采集的FBG反射谱数据进行寻峰计算，所得系统精度为5.89 pm，与模拟评测结果的误差小于1.7 pm，验证了模拟评测的可行性。     

基于联合变换相关器的像移测量仿真分析

对基于联合变换相关器的像移测量数学原理进行了说明,介绍了面阵CCD的安装位置以及输入图像的获取方法,分析了低信噪比输入图像、相对转动位移对测量精度的影响。应用MATLAB对输入图像进行傅里叶变换得到联合功率谱,对二值化处理的功率谱进行傅里叶变换得到相关输出,用质量中心算法计算出像移量。分析得出,输入图像信噪比大于5dB,测量均方误差小于0.05像素;输入图像相对转动位移在0.1°的范围内,转动位移对测量精度和峰噪比的影响可以忽略不计。综合分析表明像移测量均方误差小于0.05像素。     

可调谐二极管激光吸收光谱技术参数选择及优化

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)系统性能受调制参数,如调制度、调制频率、扫描幅度及扫描频率影响,实际测量中各参数不存在明确的选择依据。针对此问题,文章在一定的理论基础上通过实验分别观察各调制参数对二次谐波信号的影响,通过分析检测信号的特征,如幅值、信噪比、对称性及峰宽得出其变化规律,总结出在不同系统功能和需求下系统各调制参数的优化依据及方法。系统在计算浓度和温度时应优先考虑幅值和信噪比,从而使调制度达到最佳值,调制频率和扫描频率取较小值;在线形推导压强时优先考虑信号的对称性和峰宽,根据计算的具体要求确定调制参数;扫描幅度的确定以得到完整谐波信号为准;再根据系统的速度和精度需求调整扫描频率。该研究为此类系统工作状态的确定提供了实验依据。     

基于Sagnac环的FBG时分复用强度解调技术

提出了一种基于Sagnac光纤环的布拉格光栅时分复用强度解调方法,多个中心波长相同的光纤布拉格光栅组成时分复用传感网络,通过光纤布拉格光栅网络输出光谱的强度变化对光信号进行解调;在系统信号解调模块,采用小波分析与高斯拟合的算法对信号进行滤波处理及拟合优化处理。实验结果证明,系统信号信噪比由8.06 dB提高到11.7 dB,提高了约36%,有效提升了系统的抗干扰能力以及检测外界参量传感的准确度。该方法在极大降低解调系统成本的同时,有效提高了布拉格光栅传感器复用数量,可用于各种传感系统或者参量检测系统中。     

面阵CCD信号采集系统的噪声抑制

分析了CCD输出噪声及其一般抑制方法,提出了一种基于面阵CCD信号采集系统的噪声抑制方法。设计了CCD信号采集系统的噪声抑制电路和处理电路,应用于CCD442A型面阵CCD;并使用积分球对采集系统进行辐射定标,计算得到系统的信噪比。仿真和辐射定标实验表明,该面阵CCD信号采集系统具有相关双采样和暗电平校正功能,抑制了CCD输出信号的复位噪声和暗电流噪声;在中等照度条件下,系统信噪比达到40dB。     

收发分置氦激光雷达系统参数设计与性能分析

针对收发分置氦激光雷达系统,基于连续激光束成像技术,获得了不同收发分置距离下对应的距离分辨率大小,以及单列CCD像素元与高度的对应关系和距离分辨率随高度的变化曲线.对比分析了在不同亚稳态氦原子密度的条件下,系统单列像素元接收到的光子数与探测高度的对应关系,并获得了信噪比和相对误差随探测高度的变化情况.仿真结果表明,增加积分时间可以提高信噪比,在400～1 000 km的高度范围内,积分时间为2 h,距离分辨率为50 km时,信噪比在10～65范围内,相对误差小于10%.研究结果表明采用收发分置氦共振荧光激光雷达系统可实现对热层200～1 000 km亚稳态氦密度的探测,为进一步完善优化收发分置氦共振荧光激光雷达系统的方案提供参考.     

相位敏感光时域反射系统的时钟同源I/Q解调方法

提出一种基于时钟同源I/Q解调的相位敏感光时域反射系统解调方法.分析了调制信号与混频信号非同源不一致对解调结果的影响,采用声光调制器调制信号、斩波信号与I/Q混频信号时钟同源的方法以消除残余频率的影响.实验采用双压电陶瓷作为扰动源,通过I/Q解调实时获得后向瑞利散射光幅值和相位,进而实现扰动的定位和还原.实验结果表明,该系统能有效地探测到5km和9km处的正弦扰动,定位信号信噪比分别达17.8dB和16dB,相位解调结果准确还原正弦扰动,与正弦曲线的拟合系数分别为0.994和0.991,均方根误差分别为0.116和0.141.实验进一步验证了该方法能够测得不同扰动幅度下的相位正弦变化曲线,并能准确得到不同扰动频率,且扰动位置处相位变化幅度与扰动强度具有良好的线性关系,线性拟合系数达0.992,均方根误差为0.499,均优于非同源解调结果.     

光纤法布里-珀罗传感器串连复用的傅里叶变换解调方法初探

光纤法布里—珀罗传感器复用、特别是串连复用的解调十分困难。为解决这个问题,从光纤法布里—珀罗应变传感器的基本原理出发、在仅有两只传感器复用的基本条件下,深人分析了复用系统组合输出光强信号及其分布特性;研究了对其进行傅里叶变换的解调原理及具体实现方法,分析了因复用信号不满足傅里叶变换条件而在变换域产生的畸变,进行了计算机仿真解调。在此基础上,搭建了两只传感器的串连复用实验系统,并用此方法实现了两只复用传感器的解调,且传感器之间的相互影响小于5％。理论与实验表明,虽然传感器的复用信号不满足傅里叶变换的标准条件,且仿真与实验存在一定差异,但所提出的傅里叶变换方法,基本可用于光纤法布里—珀罗传感器的串连复用解调。