为了利用光纤布喇格光栅(FBG)实现宽带弹性波的测量, 提出了基于双FBGs+压电陶瓷(PZT)的解调方案。该方案使用宽带光源提供入射光, 通过改变PZT的驱动电压, 使其上粘贴的FBG的布喇格波长处在传感FBG的半峰宽处, 形成FBG对。该方案具有成本低及工作点可动态调整等优点。通过实验验证了基于双FBGs+PZT的系统调节最佳工作点的方法, 及利用该系统进行了连续弹性波测量和泄漏检测的实验。实验结果表明, 该系统可以检测出8 kHz, 58 kHz, 98 kHz, 200 kHz的弹性波, 且可以成功检测到气体管道泄漏产生的弹性波信号。

本文提出了一种简易的三维深度分割技术, 该技术能够对存在突变表面的物体的不同深度区域进行分割。为实现该项技术, 首先需要搭建由投影仪、相机和物体组成的深度分割平台。由投影仪向被分割物体投射一系列相移数字光栅; 数字光栅经物体表面调制, 被相机采集并存入计算机中待后续处理。将所采集的序列数字光栅进行顺序置换操作, 依次获得三种序列的数字光栅组, 通过最小二乘法对不同序列光栅组进行解相位并因此得到包裹相位组。包裹相位组经差分与相交运算后, 可获得相交边缘; 对相交边缘进行图像增强操作后即可对不同三维深度的不连续区域进行分割。仿真结果表明, 对于900 pixel×900 pixel范围的复杂面型, 该算法的分割偏移误差仅为2 pixel。实验结果表明: 该技术能够对多个不同深度的相似颜色物体进行精确的分割。因此, 本方法具备低消耗, 高精度三维深度分割的能力。

针对数字散斑干涉(Digital Speckle Pattern Interferometry, DSPI)测量中散斑噪声干扰会导致相位提取困难、测量灵敏度降低的问题, 提出基于能量的DSPI相位图正余弦滤波法, 克服传统滤波方法不具有自适应性的不足, 提高了相位图质量。该方法根据正交小波包能量估算DSPI相位图中的噪声能量; 对相位图分别进行正余弦变换, 采用均值法平滑处理; 利用噪声能量设定滤波阈值, 实现相位图有效滤波, 文中将噪声能量与正余弦滤波结合可以自适应地进行降噪处理, 利用能量控制图像滤波效果。仿真和实验结果表明, 基于能量的正余弦滤波法较传统方法可以减少50%的循环次数。证明了本文提出的方法能够有效地对数字散斑干涉相位图进行滤波, 提高信噪比。

采用CCD相机采集物体变形前后的散斑图片, 利用一维经验小波变换对散斑图片进行逐行分解, 获得一系列的固有分量. 根据分解后分量的核概率密度函数提出基于核概率密度的自适应降噪法, 去除噪声干扰, 提取跟变形信息相关的分量并重构, 利用重构后的每一行获得变形前后重构散斑图. 采用Hilbert法计算重构后散斑图的相位, 对变形前后散斑图相位进行相减, 根据相位差进行解包裹获得物体表面变形信息.实验结果表明该方法能够有效地对物体表面变形进行测量, 且测量精度较经验模态分解提高4倍.

基于模拟下变频器、数字IQ解调和反向传播(BP)神经网络,采用现场可编程门阵列结合数字信号处理器(FPGA+DSP)的数据采集和处理架构,提出了一种全嵌入式高信噪比(SNR)、高分辨率和低成本的外差型相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)技术模式识别方法。针对外差型Φ-OTDR技术,使用DSP、FPGA及其外围硬件电路替代原有的GHz级高速采集卡和信号发生器,减小了系统的体积和成本。在此基础上,设计了基于时空域二维图提取形态学特征的方法,并采用BP神经网络进行分类识别;所提方法相对于传统的针对一维信号进行模式识别的方法误报率更低、识别率更高。实验结果表明,所设计的基于FPGA+DSP全嵌入式并行信号处理架构满足实时监测的要求,SNR高达12.43 dB,事件识别准确率达到97.78%。

为了实现基于光纤传感器的金属腐蚀在线监测, 以金属Q235腐蚀声发射在线监测为目标, 采用分布式布喇格反射(DBR)光纤激光器作为腐蚀声发射传感器的方法, 通过对偏振正交DBR光纤激光器的工作机理及模型进行研究, 分析了偏振正交双频DBR激光器用于腐蚀声发射传感器的谐振腔参量对其性能影响的规律, 并进行了基于偏振正交双频DBR激光器的声发射检测实验, 实现了偏振正交DBR光纤激光器的优化设计, 提出了表征Q235碳钢腐蚀阶段的特征量。结果表明, 偏振正交DBR光纤激光器不仅能实现对金属腐蚀声信号的检测, 其检测频带范围为0MHz~1MHz, 还能实现通过平均拍频值的变化来表征金属腐蚀主要的3个腐蚀阶段。该研究为偏振正交DBR腐蚀声发射传感器及组网的优化设计与制作提供了理论和技术基础, 对金属腐蚀特别是核级关键材料的在线腐蚀监测具有重要意义。

二面角是几何量测量的重要对象。测角方法众多，但可用于在机、自动化测量的方法仍相对匮乏。提出了一种基于非接触激光回转射线的二面角在机测量方法。激光位移传感器的测量射线在空间内绕固定轴旋转，构成回转射线，是测头的核心部分。回转射线扫掠待测工件表面，通过测量两被测平面与测头的距离信息并结合相应的数据处理，即可完成二面角的测量。测量装置作为机床的选配件，由数控机床主轴搭载，可实现在机测量。提出了基于非接触回转射线的二面角测量方法的数学模型，分析了相应的误差来源并实验验证了该方法的有效性。该方法可以较好地完成0°~120°范围内的角度测量，测量结果与三坐标测量机给出的相对真值进行了对比，实验结果表明，最大误差为14″，相对误差不超过0.048%。

针对相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)光纤预警系统对一维信号进行模式识别产生的误报和较低的识别效率, 提出基于形态学方法提取时空二维信号特征, 并利用相关向量机(RVM)分类器对事件进行分类识别的方法。首先, 将Φ-OTDR采集到的时空二维信号当作图像, 根据信号在图像上的特征采用图像处理的方法对不同入侵事件信号进行阈值分割。然后, 基于本文提出的特征提取方法, 利用不同事件区域在幅值、面积、形状以及区域间隔上的差别提取不同信号特征。最后, 利用相关向量机分类器对不同事件信号进行识别并采用"一对一"的多分类策略。对3种管道安全事件进行了实验。实验结果表明, 本文提出方法的识别精度能够达到97.8%, 而算法时间不到1 s。 与传统模式识别方法相比, 提出的算法大幅度地改善了系统性能, 且简便易行, 能够满足Φ-OTDR光纤预警系统在线实时监测的要求。

Mach Zehnder光纤传感系统在实际应用中受偏振相位偏移现象影响, 使得信号相关性不稳定, 造成定位时出现粗大误差, 甚至无法定位的问题。为解决这一问题, 提出了一种基于双臂检测信号相关系数的遗传偏振控制算法。利用偏振控制器对输入光的偏振态进行实时控制, 在系统信号相关性恶化时, 通过改变输入偏振态, 恢复信号的相关性。实验证明, 该算法可使检测信号维持良好的相关性, 系统的稳定性得到较大提高。

由于马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)光纤干涉传感系统的定位精度在实际应用中受到初始相位偏移的影响, 本文针对系统的光路结构, 提出了一种基于3×3耦合器的被动数字化解调方法。利用3×3耦合器的2路输出信号构成椭圆曲线, 在约束条件下对信号系数进行最小二乘拟合, 然后采用微分交叉相乘法解调出相位信号。与传统的解调方法相比, 提出的方法降低了对耦合器高对称性的要求, 不需限制其它参数; 约束条件下椭圆拟合的鲁棒性好, 尤其是对于椭圆度较差的数据点具有很强的适应能力, 适用于微弱振动信号的解调。仿真结果和现场实验数据证明该方法切实有效, 运算量小, 利用现场数据解调出的相位信号相关性达到0.992 0; 互相关计算显示其在总长43 km的管道上的定位误差为81.2 m, 有效提高了系统性能。