基于开放光路FLRDS技术的C2H2和C2H6气体检测

磷酸铁锂电池因其较长的使用寿命和环保性,被广泛应用于储能系统。然而,近年来,储能电站安全事故频发,给电网稳定运行造成了威胁。在热失控过程中,磷酸铁锂电池会产生C₂H₂和C₂H₆等可燃气体,是造成燃烧、爆炸等灾害的重要原因。因此,实时准确监测储能预制舱内C₂H₂和C₂H₆等可燃气体的浓度是保障其安全稳定运行的关键。文中提出一种基于开放光路光纤环形腔衰荡光谱(fiber loop ring-down spectroscopy,FLRDS)技术的气体检测方法,可实现自由空间内微量气体在线监测。对梯度折射率(gradient index,GRIN)透镜的空间光耦合光学损耗进行理论和实验分析,建立插入损耗为0.95 dB的开放光路FLRDS气体检测系统。根据C₂H₂和C₂H₆红外光谱特性,开展激光光源性能测试。模拟开放空间气体环境研究了C₂H₂和C₂H₆的气体浓度检测方法,结果表明,该系统具有较好的稳定性,N₂背景下测量信号标准偏差S仅为平均值的0.156%。衰荡时间与气体浓度之间存在良好的线性关系,C₂H₂线性拟合度R²为0.998 32,C₂H₆线性拟合度R²为0.994 72。反演计算结果表明,C₂H₂和C₂H₆的最大相对误差分别为3.215%和4.72%,最大绝对误差分别为16.86 μL/L和12.74 μL/L,测量精度良好。     

单跨光纤长距离混沌激光保真传输实验研究

混沌激光在载波通信、密钥分发等信息安全传输领域具有巨大的应用潜力,但放大器自发辐射噪声、光纤色散以及非线性效应会降低混沌信号的保真度,进而限制单跨光纤混沌同步的距离。本文通过研究滤波器线宽、光纤色散补偿偏差以及混沌入纤功率对混沌激光传输保真度的影响,探明了单跨光纤混沌同步的极限距离,并在实验中实现了200 km单跨光纤中保真度为0.9214的混沌信号传输。以此信号为驱动,获得了同步系数为0.9043的共驱混沌同步,为长距离混沌载波通信与密钥分发的实现提供了基础。     

2μm波段DBR光纤激光器的超稳腔PDH稳频技术

报道一种可用于超稳腔Pound-Drever-Hall(PDH)稳频的2μm波段分布Bragg反射（DBR）光纤激光器及其频率锁定结果。该绝热封装的光纤激光器配备主动温度控制和压电陶瓷（PZT）频率调谐装置,可满足超稳腔PDH稳频应用。通过周期极化铌酸锂（PPLN）晶体倍频,采用PDH稳频技术将研制的1950 nm光纤激光器频率稳定到了1μm波段超稳腔频率参考上。针对DBR光纤激光器中PZT频率调谐机制只反馈调节腔长,容易在稳频过程中产生激光器跳模进而导致频率失锁的问题,笔者提出并演示了一种对DBR光纤谐振腔实施基于超稳腔频率参考的实时温度控制方案,并采用该方案实现了对DBR光纤激光器超过4周的长期频率锁定。该方案对于实现DBR光纤激光器的长期频率锁定具有较高的参考价值。     

长距离空芯反谐振微结构光纤的制备研究

石英基空芯反谐振微结构光纤具有结构简单,高激光损伤阈值,带宽宽等显著优点。目前制备工艺是限制该光纤发展和应用的主要原因之一。常见报道中该种光纤的制备长度仅有几百米,为了提高制备效率,降低制备成本,增加单次制备长度,必须提高预制棒的尺寸,而较大尺寸的预制棒在制备和拉制时,对压力分区系统的制作和可靠性提出挑战。本文针对空芯反谐振微结构光纤的长距离制备工艺进行探索性研究,创新性提出全石英分区控压方式并进行低温拉制实验,采用一次拉制工艺成功实现单次制备长度为1.05 km的光纤,在波长3.5～5μm,实现损耗约10 dB/m。     

基于VMD与MFE的光纤周界安防入侵事件识别北大核心CSCD

为了提高周界入侵事件的识别率,本文提出一种基于超弱光纤光栅(UWFBG)阵列的光纤周界入侵事件识别方法。该方法通过变分模态分解(VMD)将入侵信号进行分解,然后选择最佳分量并提取其多尺度模糊熵(MFE),与信号过零率(ZCR)相结合构造特征向量,将其输入到Sigmoid函数拟合的支持向量机(SVM),实现对晃动、剪切、刮风、下雨和无入侵5种不同的事件的识别。实验表明,该方法可以准确识别5种常见的事件信号,平均识别率达到98%。此外,该方法可以在输出各入侵事件类别的同时输出各类事件发生的概率值。     

基于局部光栅补全的反光物体三维重建

针对结构光三维重建过程中,因表面强反光造成光栅形变而导致的相位误差、重建精度降低的问题,提出一种基于局部光栅补全的重建方法。首先对被测物体自身材料特性以及镜面反射角等引发三维重建点云模型缺失现象的反光因素进行分析。其次在相位展开前,引入局部光栅补全法,对反光区光栅丢失部分进行补全,以相移法加互补格雷码重建法为基础提高相位展开精度。最后,通过搭建单目结构光三维重建系统,对平面度误差在0.5 mm范围内的反光矩形铝合金板进行三维重建。实验表明,本文提出的改进方法可以有效补全因物体表面反光造成的重建缺失,其相位解码信息更加完备,重建率相较于传统方法提升了25%,平面度误差率降低了28.2%。     

基于MELMD-ICA的光纤振动信号降噪方法

针对分布式光纤传感系统所采集含噪信号,提出一种改进集成局部均值分解(MELMD)联合独立成分分析(ICA)的降噪方法,引入排列熵判决机制提高抑制模态混叠与虚假分量能力。首先使用MELMD方法分解含噪信号得到乘积函数(PF)并进行信号重构;将含噪信号和重构信号求差得到虚拟噪声,构造虚拟通道;然后使用ICA对含噪信号和虚拟通道进行信噪分离,得到最终结果。通过实验验证,该方法与EMD-ICA,EEMD-ICA,MELMD相比,能更好地消除信号中的噪声,保留信号的特征信息。     

基于φ-OTDR 的分布式光纤声波传感系统性能改进研究

为了满足复杂的工程现场环境对相敏光时域反射仪(φ-OTDR)的各项性能指标的需求,提出基于自适应卡尔曼滤波(AKF)和频分复用(FDM)的高性能φ-OTDR,利用FDM提升系统的频响带宽,引入AKF对线性响应于外界振动的相位状态的噪声统计特性进行实时估计和修正,抑制了衰落和串扰导致的相位失真。实验结果表明,改进后φ-OTDR系统的传感线性度被有效提升,系统本底噪声降低到-83.7dB²/Hz,应变分辨率达到了0.28pε/Hz1/2。     

带有前置EDFA卫星相干激光通信终端的信噪比分析

卫星激光通信链路是一项实现卫星大规模星座组网的关键技术。相干激光链路灵敏度高、抗背景干扰、速率升级空间大,在星间激光链路中应用广泛。文章建立了带有前置掺铒光纤放大器(EDFA)的卫星相干激光通信终端的信噪比分析模型,仿真分析了EDFA功率增益、EDFA噪声系数、本振光功率、信号光功率、光放后端光带宽、基带前端电带宽对终端输出信噪比的影响以及各种输出噪声功率占比的情况,得到了带有前置EDFA卫星相干激光通信终端的信噪比参数特性。     

基于BAS-BP-Bagging模型的光纤陀螺温度补偿

为提高光纤陀螺的输出精度,以天牛须搜索算法(BAS)优化后的BP神经网络模型为基学习器,采用Bagging并行集成学习算法建立了BAS-BP-Bagging温度补偿模型,并对某型号光纤陀螺进行了温度补偿实验。实验结果表明,在-40～+60℃温度变化环境下,该方法补偿后的光纤陀螺温度漂移相较于补偿前减小了近80%,相较于多项式补偿算法减小了55%,相较于BP神经网络补偿算法减小了30%左右。同时该模型在对新鲜样本的补偿过程中表现出了较为优越的泛化性能。