基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法
【專利摘要】基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法，涉及基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別【技術(shù)領(lǐng)域】。解決了現(xiàn)有光譜識別方法在進行光譜識別時，當(dāng)光纖布拉格光柵長度與被測物體的尺寸相當(dāng)，同時被測物體體內(nèi)存在非均勻的傳感參數(shù)的作用場時，導(dǎo)致光纖布拉格光柵的反射譜形狀發(fā)生改變，進而影響光譜識別效率的問題。基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法，它包括以下步驟：計算非均勻應(yīng)變場作用下的光柵折射率分布；建立非均勻外界應(yīng)變場作用下光柵光譜識別的傳輸矩陣模型；傳輸矩陣模型得出非均勻外界應(yīng)變場作用下直角三角譜光纖布拉格的光譜變化。本發(fā)明適用于非均勻光纖布拉格光柵的光譜識別。
【專利說明】基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光譜識別【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖布拉格光柵(FBG,即，fiber Bragg grating)作為傳感元件廣泛地應(yīng)用于傳感系統(tǒng)中，光纖布拉格光柵傳感器是一種基于波長調(diào)制的新型光纖傳感器。通常的傳感應(yīng)用往往都是準分布式傳感。所謂的準分布式傳感就是在光柵長度遠遠小于被測物尺寸的時候，可以把每個光柵看成是一個測量點，為了分析外場對被測物的影響，一般在被測物上設(shè)置多個光柵，然后通過同時測量所有測量點的外場來實現(xiàn)對被測物所受到的外場進行分析的一種傳感方式。在這種情況下，可以認為沿光柵軸向施加的傳感參數(shù)是常量，光柵的光譜沒有發(fā)生形變，而僅僅是光譜出現(xiàn)了整體移動。因此，傳感參數(shù)的作用就可以通過光譜的峰值反射率對應(yīng)的布拉格波長的偏移來反映，進而實現(xiàn)對傳感參數(shù)的傳感。
[0003]與FBG在傳感系統(tǒng)中的準分布式傳感不同，當(dāng)光柵長度與被測物的尺寸相當(dāng)，同時被測物體內(nèi)又存在一個非均勻的傳感參數(shù)的作用場時，那么FBG的反射譜形狀會發(fā)生改變，原有的光柵布拉格波長同傳感參數(shù)之間的線性對應(yīng)關(guān)系也就不成立了，所以此時不能再通過測量布拉格波長的偏移量來進行傳感參數(shù)的測量，而是應(yīng)該對FBG的反射譜進行更加深入的理解和分析。通常情況下，為了實現(xiàn)各種不均勻傳感參量在傳感上的應(yīng)用，采用的基本途徑是對非均勻外界作用場下的FBG進行合成，通過光譜合成可以得到光柵上傳感參數(shù)的分布情況，人們把這個過程稱作光柵的分布式傳感應(yīng)用。所有這些基于光柵的傳感系統(tǒng)其空間分辨率都受限于光柵的長度，并且光柵上非均勻應(yīng)力場也影響應(yīng)力的分辨率，特別是用于材料中有破壞或者應(yīng)力集中的地方，光柵的光譜形狀常常會出現(xiàn)有意義畸變。這種畸變往往是由于光柵的光纖軸上存在應(yīng)力梯度、非均勻或者不連續(xù)的應(yīng)力場等情況而引起的，因而可以通過實驗中測量得到的畸變光譜來判斷FBG所受到的外界力場作用，這一點在材料健康監(jiān)測上是有潛在應(yīng)用的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有光譜識別方法在進行光譜識別時，當(dāng)光纖布拉格光柵長度與被測物體的尺寸相當(dāng)，同時被測物體體內(nèi)存在非均勻的傳感參數(shù)的作用場時，導(dǎo)致光纖布拉格光柵的反射譜形狀發(fā)生改變，進而影響光譜識別效率的問題，提出了基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法。
[0005]基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法，它包括以下步驟:
[0006]步驟一、計算非均勻應(yīng)變場作用下的光柵折射率分布；
[0007]步驟二、建立非均勻外界應(yīng)變場作用下光柵光譜識別的傳輸矩陣模型；
[0008]步驟三、根據(jù)步驟二得到的傳輸矩陣模型得出非均勻外界應(yīng)變場作用下直角三角譜光纖布拉格的光譜變化。[0009]建立非均勻外界應(yīng)變場作用下光柵光譜識別的傳輸矩陣模型，它是由以下步驟實現(xiàn)的:
[0010]步驟二一、對沒有加入外界應(yīng)變之前光柵的有效周期進行計算；
[0011]步驟二二、通過步驟二一得到的沒有加入外界應(yīng)變之前光柵的有效周期和外界應(yīng)變引起的光柵周期變化與外界應(yīng)變的關(guān)系，計算出非均勻力場作用下的相位變化；
[0012]步驟二三、計算在非均勻外界應(yīng)變場作用下，光纖中前向傳播光場包絡(luò)的耦合模和后向傳播光場包絡(luò)的I禹合模；
[0013]步驟二四、計算出外界應(yīng)變作用下，光傳輸?shù)焦鈻盼恢忙铺幍牟〝?shù)失諧量與外界應(yīng)變之間的關(guān)系；
[0014]步驟二五、計算出微應(yīng)變下光柵耦合系數(shù)與非均勻應(yīng)變場作用下的交流折射率、非均勻應(yīng)變場作用下的折射率交流分量的變化量和光柵的相位之間的關(guān)系；
[0015]步驟二六、計算出在外界應(yīng)變作用下，在坐標(biāo)位置ζ處與ζ+Λ 1E (Z)處的第d段光場的傳輸矩陣，Λ I ε (ζ)為非均勻應(yīng)變場作用下光柵第d段光場長度，即Λ I ε (ζ) = Λ I (1+ ε (ζ))，Λ I為沒有非均勻應(yīng)變場作用時光柵第d段光場長度，Δ 1=L/N,N為沒有外界應(yīng)變作用之前光柵長度L平均分成的層數(shù)，ε (ζ)為外界應(yīng)變；
[0016]步驟二七、通過步驟二六得到在外界應(yīng)變作用下總的傳輸矩陣；
[0017]步驟二八、通過步驟二七得到的在外界應(yīng)變作用下總的傳輸矩陣計算出微應(yīng)變下光柵光譜的反射系數(shù)。
[0018]有益效果:本發(fā)明提出的基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法通過傳輸矩陣法對非均勻光纖布拉格光柵在外界應(yīng)變場作用下的傳輸矩陣進行推導(dǎo)，能夠使光纖布拉格光柵長度與被測物體的尺寸相當(dāng)，同時被測物體體內(nèi)存在非均勻的傳感參數(shù)的作用場時，光線布拉格光柵的反射譜形狀不會發(fā)生改變，同時使本發(fā)明的光譜識別方法更加簡單和便于計算，進而使光譜識別效率提高了 5%以上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法的流程圖；
[0020]圖2為建立非均勻外界應(yīng)變場作用下光柵光譜識別的傳輸矩陣模型的流程圖；
[0021]圖3為應(yīng)變場作用下的傳輸矩陣法示意圖；
[0022]圖4為長度為12mm的直角三角譜光纖布拉格光柵的反射譜圖；
[0023]圖5為長度為12mm的直角三角譜光纖布拉格光柵的交流折射率調(diào)制；
[0024]圖6為長度為12mm的直角三角譜光纖布拉格光柵的相位調(diào)制；
[0025]圖7為均勻應(yīng)變場作用下直角三角譜光纖布拉格光柵的反射譜；
[0026]圖8為線性分布的非均勻應(yīng)變作用下直角三角譜光纖布拉格光柵的反射譜；
[0027]圖9為二次曲線分布的非均勻應(yīng)變場作用下直角三角譜光纖布拉格光柵的反射譜；
[0028]圖10為存在突變的非均勻應(yīng)變場作用下直角三角譜光纖布拉格光柵的反射譜。【具體實施方式】
[0029]【具體實施方式】一、結(jié)合圖1說明本【具體實施方式】，基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法，它包括以下步驟:
[0030]步驟一、計算非均勻應(yīng)變場作用下的光柵折射率分布；
[0031]步驟二、建立非均勻外界應(yīng)變場作用下光柵光譜識別的傳輸矩陣模型；
[0032]步驟三、根據(jù)步驟二得到的傳輸矩陣模型得出非均勻外界應(yīng)變場作用下直角三角譜光纖布拉格的光譜變化。
[0033]【具體實施方式】二、本【具體實施方式】與【具體實施方式】一所述的基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法的區(qū)別在于，步驟一中所述的計算非均勻應(yīng)變場作用下的光柵折射率分布由以下公式實現(xiàn):
[0034]
【權(quán)利要求】
1.基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法，其特征在于，它包括以下步驟: 步驟一、計算非均勻應(yīng)變場作用下的光柵折射率分布； 步驟二、建立非均勻外界應(yīng)變場作用下光柵光譜識別的傳輸矩陣模型； 步驟三、根據(jù)步驟二得到的傳輸矩陣模型得出非均勻外界應(yīng)變場作用下直角三角譜光纖布拉格的光譜變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法，其特征在于，步驟一中所述的計算非均勻應(yīng)變場作用下的光柵折射率分布由以下公式實現(xiàn):
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法，其特征在于，步驟二中所述的建立非均勻外界應(yīng)變場作用下光柵光譜識別的傳輸矩陣模型，它是由以下步驟實現(xiàn)的: 步驟二一、對沒有加入外界應(yīng)變之前光柵的有效周期進行計算； 步驟二二、通過步驟二一得到的沒有加入外界應(yīng)變之前光柵的有效周期和外界應(yīng)變引起的光柵周期變化與外界應(yīng)變的關(guān)系，計算出非均勻力場作用下的相位變化； 步驟二三、計算在非均勻外界應(yīng)變場作用下，光纖中前向傳播光場包絡(luò)的耦合模和后向傳播光場包絡(luò)的耦合模； 步驟二四、計算出外界應(yīng)變作用下，光傳輸?shù)焦鈻盼恢忙铺幍牟〝?shù)失諧量與外界應(yīng)變之間的關(guān)系； 步驟二五、計算出微應(yīng)變下光柵耦合系數(shù)與非均勻應(yīng)變場作用下的交流折射率、非均勻應(yīng)變場作用下的折射率交流分量的變化量和光柵的相位之間的關(guān)系； 步驟二六、計算出在外界應(yīng)變作用下，在坐標(biāo)位置ζ處與ζ+Λ1Ε(ζ)處的第d段光場的傳輸矩陣，Δ 1ε (ζ)為非均勻應(yīng)變場作用下光柵第d段光場長度，即Λ I ε (ζ) = Λ I (1+ ε (ζ))，Λ I為沒有非均勻應(yīng)變場作用時光柵第d段光場長度，Δ 1=L/N,N為沒有外界應(yīng)變作用之前光柵長度L平均分成的層數(shù)，ε (ζ)為外界應(yīng)變； 步驟二七、通過步驟二六得到在外界應(yīng)變作用下總的傳輸矩陣； 步驟二八、通過步驟二七得到的在外界應(yīng)變作用下總的傳輸矩陣計算出微應(yīng)變下光柵光譜的反射系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法，其特征在于，步驟二一中所述的沒有加入外界應(yīng)變之前光柵的有效周期的表達式為
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法，其特征在于，步驟二二中所述的非均勻力場作用下的相位變化的表達式為
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法,其特征在于，步驟二三中所述的在非均勻外界應(yīng)變場作用下，光纖中前向傳播光場包絡(luò)的耦合模的表達式為
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法，其特征在于，步驟二四中所述的光傳輸?shù)焦鈻盼恢忙铺幍牟〝?shù)失諧量與外界應(yīng)變之間的關(guān)系的表達式為式⑵
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法，其特征在于，步驟二五中所述的微應(yīng)變下光柵耦合系數(shù)與非均勻應(yīng)變場作用下的交流折射率、非均勻應(yīng)變場作用下的折射率交流分量的變化量和光柵的相位之間的關(guān)系的表達式為
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法,其特征在于，步驟二六中所述的在外界應(yīng)變作用下，在坐標(biāo)位置ζ處與
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于非均勻光纖布拉格光柵分布式傳感的光譜識別方法，其特征在于，步驟二七中所述的在外界應(yīng)變作用下總的傳輸矩陣的表達式為
【文檔編號】G01D3/028GK103528599SQ201310455613
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】于雪蓮, 沈濤, 熊艷玲, 胡超, 楊倩茹, 王偉佳 申請人:哈爾濱理工大學(xué)