塑料光纤纤芯折射率分布的聚焦法测量

采用聚焦法对渐变折射率塑料光纤纤芯折射率分布进行了测量。聚焦法是一种非破坏性的测量方法,用平行光线垂直照射塑料光纤,并用聚焦于纤芯边界平面的显微镜进行观察,像平面的光强分布由计算机进行视频采集,经过计算得出纤芯的折射率分布。设计了测试系统,得到了塑料光纤的折射率分布曲线,并进行了误差分析。     

基于双向瑞利散射的单模光纤多参数同时测量方法

光纤多参数同时测量是加速低损耗、低非线性等光纤研发效率的关键。为此，提出一种基于双向瑞利散射的单模光纤多参数同时测量方法，可实现光纤多参数同时精确测量。基于背向瑞利散射原理建立了多参数同时测量系统，成功测试了1 km光纤的模场直径、有效模场面积、纤芯直径、相对折射率差、截止波长、衰减系数等参数的分布特性，其测量值分别为9.24μm、66.22μm2、8.28μm、0.323%、1.258μm、0.196 dB/km，并分别与传统测量方法进行了比较。实验结果表明，所提方法与传统方法测量结果基本一致，但实现了多参数分布测量且测量结果稳定。     

细芯锥形光纤构成的温度与折射率同时测量传感器

在工程实际中,具有多参量同时测量功能的光纤传感器有很大的市场需求。为了实现多参量的同时测量,提出了一种“单模—无芯—细芯—无芯—单模”光纤熔接与拉锥的马赫-泽德尔干涉仪传感器。细芯光纤作为传感器的主要传感元件,利用多功能光纤熔接拉锥机对细芯光纤进行了精准拉锥,提高了传感器对环境温度与折射率的敏感度。研究了传感器对环境温度与折射率的传感特性,利用传感器透射谱中2个谐振峰波谷的温度和折射率灵敏度,构建测量矩阵,消除了交叉敏感,完成了温度与折射率的同时测量。实验结果表明：传感器透射谱谐振峰波谷的中心波长随温度变化、折射率变化均有很好的线性关系,最大温度灵敏度达到33.63 pm/℃,最大折射率灵敏度为-135 nm/RIU。该传感器尺寸小、集成度高、结构简单、制作容易、灵敏度高,在工业、国防、民用等领域有一定的应用价值。     

小芯径多模光纤拉曼分布式温度传感器

设计并制作了一种用于拉曼分布式温度传感的具有大有效模场面积和低模式色散的渐变折射率的小芯径多模光纤,同时达到了高空间分辨率和高温度分辨率。在现有的拉曼分布式温度传感系统基础上,测量了使用不同传感光纤和注入条件下的温度和空间分辨率。在满注入工作模式下,基于小芯径多模光纤的拉曼分布式温度传感器在25 km处达到了1℃的温度分辨率,空间分辨率的劣化仅为0.13 m,作为对比,使用多模光纤的拉曼分布式温度传感器的空间分辨率劣化了1.58 m。在单模注入条件下,基于小芯径多模光纤的拉曼分布式温度传感器在25 km处达到了4.7℃的温度分辨率,相对使用单模光纤有2.2℃的提升,同时空间分辨率没有劣化。     

单模光纤色散的研究

本文将波导参数无量纲化,导出了单模光纤的新色散公式;利用变分—有限元法解决了具有任意圆对称折射率分布芯的单包层、双包层和多包层单模光纤色散特性计算的数学处理问题。对于二根已知其折射率分布的单模光纤,进行了理论计算并预言了它的色散特性曲线,其结果与意大利CSELT同行的测量结果非常一致,从而证实了文中提出的理论模型的正确性,及其可用于预言和设计新型单模光纤的实用价值。     

单模光纤的测量技术

本文主要介绍光学时间畴反射仪、稳定的光源和光学验证技术。这些设备对单模纤维传输系统的使用和维修起到重要的作用。因为单模光纤的芯径为10μm,外径为125μm,纤芯和包层之间相对折射率差△为0.3 ％,单模光纤芯径和折射率差分别只有梯度折射率多模光纤的1/5和1/3。因此,激光二极管和单模光纤之间耦合效率约比多模光纤低5dB。另一方面,单模光纤不存在模的色散,因此带宽基本上不受限制。在考虑上述单模光纤特性之后,光学时间畴反射仪、稳定的光源和光学鉴别器对于大容量传输系统十分重要。     

基于纤芯失配多模干涉的光纤折射率传感器

基于多模干涉效应的单模-多模-单模(SMS)结构光纤折射率传感器通常需要进行包层腐蚀来提高灵敏度,而且易受环境温度影响。为克服SMS结构的这些不足,提出了一种新型的基于纤芯失配多模干涉的光纤折射率传感器,由单模光纤-色散补偿光纤-单模光纤(SMF-DCF-SMF)级联光纤布拉格光栅(FBG)构成,长度不超过100mm。对其灵敏度、线性范围和温度特性等进行了测试,实验结果显示在测量折射率为1.33～1.39的折射率液时,特征波长与折射率呈线性关系,灵敏度为232.8nm,级联的FBG具有良好的温度校准功能。     

一种基于双模干涉的光纤折射率传感器

为实现高灵敏度的折射率测量,设计了一种基于双模干涉的光纤折射率传感器,该传感器为单模-多模-单模光纤(SMS)结构,其中单模光纤和多模光纤具有相同的直径和纤芯折射率。剥去多模光纤的包层,将其置于待测环境中,多模光纤中激发出的两个模式之间会发生干涉,当待测环境折射率发生变化时,干涉谱中的波谷会发生移动,可根据光谱中波谷的移动量来实现对折射率的测量。利用FDTD Solutions软件进行仿真模拟,得到不同折射率下的干涉谱,结果表明,位于1517.32nm的干涉谷对折射率的敏感度为1848.2nm/RIU,最小分辨率误差仅为2.74×10-5RIU。该传感器较传统光纤传感器而言,结构简单,有着高灵敏度、低分辨率误差等优点,应用前景广阔。     

多芯光纤构成的温度与折射率同时测量的光纤传感器

本文设计了一种“单模光纤－多模光纤－多芯光纤－多模光纤－单模光纤”的全光 纤 Mach-Zehnder干涉仪结构。在该结构中多模光纤充当耦合器,不同模式的光在多芯光纤中 传输时将 产生光程差,形成Mach-Zehnder干涉。当环境温度和折射率变化时,通过分析干涉仪透射 光谱中不 同谐振峰的漂移量,实现折射率与温度的测量。实验结果表明,传感器低温灵敏度最高达到 46.0 pm/℃, 高温灵敏度最高达到109.0 pm/℃,折射率灵敏度最高达到54.3 nm/RIU(RIU为折射率单位)。另外, 通过同时监测传感器透射谱的两个谐振峰值波长随环境温度和折射率的漂移情况,实现了环 境温度 与折射率的同时测量,不存在交叉敏感。该传感器结构简单、制作容易、重复性好、响应稳 定、具 有多路复用功能,在传感领域有广泛的应用前景。     

影响分布式布里渊阈值功率的多参数分析

分析和讨论了分布式光纤布里渊散射阈值的多参数理论分析模型,定量研究并得到了主要参数(光纤长度、光纤纤芯芯径、泵浦光线宽、布里渊频移等)对单模光纤布里渊散射阈值的影响变化关系,其中布里渊频移对阈值的影响变化规律具有重要应用价值.最后,基于布里渊阈值实验测试系统测量了3种不同单模光纤的布里渊散射阈值,实验结果与理论分析计算预测值吻合.     

引入曲率与角度校正的柔性机构三维形状多芯光纤重构方法

为提高柔性机构三维位形参数光纤测量精度,提出了基于曲率与角度校正的多芯光纤三维形状重构方法。通过引入方向角和曲率校正系数,改进了柔性三维形变多芯光纤重构算法;利用准分子激光器和相位掩膜法制备了多芯光纤光栅传感阵列,建立了多芯光纤三维形状重构实验系统;实验测量了不同曲率比例因子下的形状重构误差,分析了曲率与角度校正前后形状重构误差;通过对应变进行了三次样条插值,并对方向角和曲率进行了校正,得到了形状重构误差平均值为0.74 mm、最大值为1.64 mm;利用校正后的多芯光纤传感系统进行三维螺旋形变重构实验,得出重构精度提高了10.2%。研究结果表明,基于曲率与角度校正的多芯光纤三维形状重构方法具有更高精度,在柔性机构三维位形实时监测中具有应用前景。     

A simple fiber length measurement method with improved accuracy using microwave photonic technology

A simple method to measure the length of optical fiber is proposed using microwave photonic technology. The length of fiber is measured according to the free spectral range (FSR) of the microwave photonic system. The measurement accuracy is only related to the accuracy of FSR measurement. The accuracy is further improved by introducing a reference fiber, and the method was verified in the experiment with 2—10 m single-mode fiber.     

光纤图象的边缘特征提取

本文详细分析了一种单模光纤边缘图象处理系统，该系统将ＣＣＤ视频输出信号经特殊解调测量电路使信号复原，在不改变ＣＣＤ摄象机时，经６倍电子细分后将分辨力提高。     

面向机器视觉测量的液体透镜调焦系统标定方法

高性能光学成像器件是机器视觉测量的重要基础,液体透镜作为一种结构紧凑的快速电控调焦器件,在机器视觉测量领域中具有明确的应用前景。针对液体透镜调焦器件在视觉测量中性能易受环境干扰、系统内参难以准确标定的问题开展研究。首先,构建了基于Optotune液体透镜器件的机器视觉测量系统,分析了液体透镜器件电控调焦工作机理,提出了调焦系统的电流-焦距数学模型,研究了影响液体透镜调焦系统参数的温度、重力因素作用机理,分别提出了温度-焦距、重力-主点位置影响量传递与补偿数学模型;然后,将上述各系统模型与针孔相机成像模型相结合,提出了液体透镜调焦系统的函数化内参表达式,设计了求取表达式全部系数的标定装置与标定流程,并进行了系统内参标定实验,验证了文中内参标定方法的可行性;最后,利用标定所得的内参对边长30 mm的棋盘格靶标进行了测量实验,通过尺寸测量精度反映内参标定精度。实验结果表明,文中方法能够得到比现有插值法更准确的内参标定结果,其中图像角点空间映射位置误差均值为0.10 mm,棋盘格边长测量结果最大相对误差为0.68%,两项误差比插值法所得内参的测量结果分别减小了27.2%和54.4%。     

A study on the development of transmission-type extrinsicFabry-Perot interferometric optical fiber sensor

The conventional reflection-type extrinsic Fabry-Perot interferometric (EFPI) optical fiber sensor has good sensitivity and resolution compared with other types of optical fiber sensors. However, they have the disadvantage that the distinction of strain direction of EFPI is difficult because of measurement method by only fringe counting. This paper presents the newly developed transmission-type EFPI (TEFPI) optical fiber sensor, which has been improved by additional functions, and whose measuring system differs from that of the reflection-type EFPI optical fiber sensors using a single-mode fiber (SMF) and multimode (MMF) fibers as light guides and reflectors, respectively. The output signal of the TEFPI optical fiber sensor was analyzed with the uniform plane wave-based model, the SMF power distribution-based model and the splice loss-based model; the analyzed signals were then verified experimentally. Based on the results of analysis, the TEFPI optical fiber sensor was fabricated using two single-mode fibers connected to the light source and optical receiver; this was then used in strain measurement. The strain measured by the TEFPI optical fiber sensor was compared with that measured by the electric strain gauge     

基于光纤端面回波的流体折射率传感器

从理论和实验上研究了一种操作简单、价格低廉、灵敏度高的折射率光纤传感器。该传感器采用光纤回波强度调制原理,用半导体激光器作为光源,普通光功率计作为光电探测器,传感头为普通光纤端面。根据回波损耗随界面物质折射率不同而发生变化的机制,导出相对回波强度与折射率之间的对应关系。计算证明相对回波强度参量的引入能够有效地消除仪器的不稳定性、内部损耗和环境影响带来的测量误差,提高测量精度。灵敏度分析表明,对于具有0.01dBm的仪器测量精度,相应的折射率分辨率可达2×10-4折射率单位。实验结果表明在液体折射率1.30~1.45的范围内,测量值均能很好地与理论值相符合,且相对偏差低于5%。     

相位敏感OTDR和布里渊OTDR结合的双参量分布式光纤传感的研究

在分布式光纤传感及应用中,单一传感系统一般只能实现一种参量的监测,如相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)只能监测光纤沿线的振动信息,布里渊光时域反射计(BOTDR)仅能监测应变/温度信息。对于多参量监测的应用场合,必须通过配合多种技术和系统来实现多参量监测和分析,增加监测成本和复杂性。设计并搭建了一种集成Φ-OTDR和BOTDR的双参量分布式光纤传感系统。该系统通过同时测量光纤中的瑞利散射和布里渊散射信号,在一根传感光纤中实现了温度/应变和振动的双参量检测。经过试验测试和验证,其测量距离达50 km以上,空间分辨率可达20 m,温度测量精度为±3℃,频率测量精度±0.15 Hz以上。     

Automatic geometric dimension measurements of single-mode fiberpreforms using a novel shadow method

A method is described in which a test preform is immersed in an index-matching liquid so as to detect optical signals from the core/cladding and cladding/index-matching liquid interfaces simultaneously. A light-beam sweeper with a mirror is used to sweep a He-Ne laser beam across a fiber preform, and the time intervals during which the preform intercepts the beam and casts a composite shadow on a photodetector are measured. The method is simple and accurate and has sufficient spatial resolution (better than 10 μm) to obtain detailed measurements of core eccentricity, core and cladding diameters and their ratio, and ellipticity in a step-index single-mode fiber preform for a subscriber line. On the basis of this principle, an automated geometry measurement system has been developed. The system is attractive for quality control applications in mass-production lines of single-mode fibers     

机械臂双目视觉系统内外参高精度标定

在空间站机械臂中,双目视觉系统作为其重要组成部分,能够引导机械臂自主完成对目标的定位和捕获。内外参标定技术是双目相机高精度获取合作目标位置、方向等运动信息进而进行三维重建的首要前提和重要保障。文中提出了一种基于光束法平差算法的双目视觉系统内外参标定技术,采用三维靶标场作为标定目标,并将高精度测角设备经纬仪作为精测基准,通过坐标转换解算分步得到相机的内、外参数。实验表明,该方法标定的相机内参重投影误差小于0.5个像元,外参测试误差为±0.19 mm,有较高的测试精度和鲁棒性,为机械臂实施视觉闭环自主捕获合作目标提供可靠依据。     

机器视觉在光纤端面缺陷检测中的应用

传统的光纤端面缺陷检测用的是人工检测方式,这种检测方式效率很低,检测结果的主观性很强。对光纤端面缺陷使用机器视觉检测,能极大地提高检测效率和检测准确性。首先将采集到的图像通过图像处理二值化,接着对纤芯中心进行定位,然后以纤芯中心为圆心对光纤端面进行不同的圆环检测区域划分。由于光纤端面上的缺陷有可能是暗色的或者是亮色的,因此为了区分二者,对每个区域检测时需要做不同的二值处理。如果有任意一个区域的检测不能通过,则这个光纤端面就是不符合要求的。结果显示,利用机器视觉进行光纤端面检测能够快速、精确地检测出缺陷所在位置及其大小。