基于非均匀光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别方法
【专利摘要】基于非均匀光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别方法，涉及基于非均匀光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别【技术领域】。解决了现有光谱识别方法在进行光谱识别时，当光纤布拉格光栅长度与被测物体的尺寸相当，同时被测物体体内存在非均匀的传感参数的作用场时，导致光纤布拉格光栅的反射谱形状发生改变，进而影响光谱识别效率的问题。基于非均匀光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别方法，它包括以下步骤：计算非均匀应变场作用下的光栅折射率分布；建立非均匀外界应变场作用下光栅光谱识别的传输矩阵模型；传输矩阵模型得出非均匀外界应变场作用下直角三角谱光纤布拉格的光谱变化。本发明适用于非均匀光纤布拉格光栅的光谱识别。
【专利说明】基于非均匀光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光谱识别【技术领域】，具体涉及基于非均匀光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别【技术领域】。
【背景技术】
[0002]光纤布拉格光栅(FBG,即，fiber Bragg grating)作为传感元件广泛地应用于传感系统中，光纤布拉格光栅传感器是一种基于波长调制的新型光纤传感器。通常的传感应用往往都是准分布式传感。所谓的准分布式传感就是在光栅长度远远小于被测物尺寸的时候，可以把每个光栅看成是一个测量点，为了分析外场对被测物的影响，一般在被测物上设置多个光栅，然后通过同时测量所有测量点的外场来实现对被测物所受到的外场进行分析的一种传感方式。在这种情况下，可以认为沿光栅轴向施加的传感参数是常量，光栅的光谱没有发生形变，而仅仅是光谱出现了整体移动。因此，传感参数的作用就可以通过光谱的峰值反射率对应的布拉格波长的偏移来反映，进而实现对传感参数的传感。
[0003]与FBG在传感系统中的准分布式传感不同，当光栅长度与被测物的尺寸相当，同时被测物体内又存在一个非均匀的传感参数的作用场时，那么FBG的反射谱形状会发生改变，原有的光栅布拉格波长同传感参数之间的线性对应关系也就不成立了，所以此时不能再通过测量布拉格波长的偏移量来进行传感参数的测量，而是应该对FBG的反射谱进行更加深入的理解和分析。通常情况下，为了实现各种不均匀传感参量在传感上的应用，采用的基本途径是对非均匀外界作用场下的FBG进行合成，通过光谱合成可以得到光栅上传感参数的分布情况，人们把这个过程称作光栅的分布式传感应用。所有这些基于光栅的传感系统其空间分辨率都受限于光栅的长度，并且光栅上非均匀应力场也影响应力的分辨率，特别是用于材料中有破坏或者应力集中的地方，光栅的光谱形状常常会出现有意义畸变。这种畸变往往是由于光栅的光纤轴上存在应力梯度、非均匀或者不连续的应力场等情况而引起的，因而可以通过实验中测量得到的畸变光谱来判断FBG所受到的外界力场作用，这一点在材料健康监测上是有潜在应用的。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决现有光谱识别方法在进行光谱识别时，当光纤布拉格光栅长度与被测物体的尺寸相当，同时被测物体体内存在非均匀的传感参数的作用场时，导致光纤布拉格光栅的反射谱形状发生改变，进而影响光谱识别效率的问题，提出了基于非均匀光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别方法。
[0005]基于非均匀光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别方法，它包括以下步骤:
[0006]步骤一、计算非均匀应变场作用下的光栅折射率分布；
[0007]步骤二、建立非均匀外界应变场作用下光栅光谱识别的传输矩阵模型；
[0008]步骤三、根据步骤二得到的传输矩阵模型得出非均匀外界应变场作用下直角三角谱光纤布拉格的光谱变化。[0009]建立非均匀外界应变场作用下光栅光谱识别的传输矩阵模型，它是由以下步骤实现的:
[0010]步骤二一、对没有加入外界应变之前光栅的有效周期进行计算；
[0011]步骤二二、通过步骤二一得到的没有加入外界应变之前光栅的有效周期和外界应变引起的光栅周期变化与外界应变的关系，计算出非均匀力场作用下的相位变化；
[0012]步骤二三、计算在非均匀外界应变场作用下，光纤中前向传播光场包络的耦合模和后向传播光场包络的I禹合模；
[0013]步骤二四、计算出外界应变作用下，光传输到光栅位置ζ处的波数失谐量与外界应变之间的关系；
[0014]步骤二五、计算出微应变下光栅耦合系数与非均匀应变场作用下的交流折射率、非均匀应变场作用下的折射率交流分量的变化量和光栅的相位之间的关系；
[0015]步骤二六、计算出在外界应变作用下，在坐标位置ζ处与ζ+Λ 1E (Z)处的第d段光场的传输矩阵，Λ I ε (ζ)为非均勻应变场作用下光栅第d段光场长度，即Λ I ε (ζ) = Λ I (1+ ε (ζ))，Λ I为没有非均匀应变场作用时光栅第d段光场长度，Δ 1=L/N,N为没有外界应变作用之前光栅长度L平均分成的层数，ε (ζ)为外界应变；
[0016]步骤二七、通过步骤二六得到在外界应变作用下总的传输矩阵；
[0017]步骤二八、通过步骤二七得到的在外界应变作用下总的传输矩阵计算出微应变下光栅光谱的反射系数。
[0018]有益效果:本发明提出的基于非均勻光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别方法通过传输矩阵法对非均匀光纤布拉格光栅在外界应变场作用下的传输矩阵进行推导，能够使光纤布拉格光栅长度与被测物体的尺寸相当，同时被测物体体内存在非均匀的传感参数的作用场时，光线布拉格光栅的反射谱形状不会发生改变，同时使本发明的光谱识别方法更加简单和便于计算，进而使光谱识别效率提高了 5%以上。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为基于非均匀光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别方法的流程图；
[0020]图2为建立非均匀外界应变场作用下光栅光谱识别的传输矩阵模型的流程图；
[0021]图3为应变场作用下的传输矩阵法示意图；
[0022]图4为长度为12mm的直角三角谱光纤布拉格光栅的反射谱图；
[0023]图5为长度为12mm的直角三角谱光纤布拉格光栅的交流折射率调制；
[0024]图6为长度为12mm的直角三角谱光纤布拉格光栅的相位调制；
[0025]图7为均匀应变场作用下直角三角谱光纤布拉格光栅的反射谱；
[0026]图8为线性分布的非均匀应变作用下直角三角谱光纤布拉格光栅的反射谱；
[0027]图9为二次曲线分布的非均匀应变场作用下直角三角谱光纤布拉格光栅的反射谱；
[0028]图10为存在突变的非均匀应变场作用下直角三角谱光纤布拉格光栅的反射谱。【具体实施方式】
[0029]【具体实施方式】一、结合图1说明本【具体实施方式】，基于非均勻光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别方法，它包括以下步骤:
[0030]步骤一、计算非均匀应变场作用下的光栅折射率分布；
[0031]步骤二、建立非均匀外界应变场作用下光栅光谱识别的传输矩阵模型；
[0032]步骤三、根据步骤二得到的传输矩阵模型得出非均匀外界应变场作用下直角三角谱光纤布拉格的光谱变化。
[0033]【具体实施方式】二、本【具体实施方式】与【具体实施方式】一所述的基于非均匀光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别方法的区别在于，步骤一中所述的计算非均匀应变场作用下的光栅折射率分布由以下公式实现:
[0034]
【权利要求】
1.基于非均匀光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别方法，其特征在于，它包括以下步骤: 步骤一、计算非均匀应变场作用下的光栅折射率分布； 步骤二、建立非均匀外界应变场作用下光栅光谱识别的传输矩阵模型； 步骤三、根据步骤二得到的传输矩阵模型得出非均匀外界应变场作用下直角三角谱光纤布拉格的光谱变化。
2.根据权利要求1所述的基于非均匀光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别方法，其特征在于，步骤一中所述的计算非均匀应变场作用下的光栅折射率分布由以下公式实现:
3.根据权利要求1所述的基于非均匀光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别方法，其特征在于，步骤二中所述的建立非均匀外界应变场作用下光栅光谱识别的传输矩阵模型，它是由以下步骤实现的: 步骤二一、对没有加入外界应变之前光栅的有效周期进行计算； 步骤二二、通过步骤二一得到的没有加入外界应变之前光栅的有效周期和外界应变引起的光栅周期变化与外界应变的关系，计算出非均匀力场作用下的相位变化； 步骤二三、计算在非均匀外界应变场作用下，光纤中前向传播光场包络的耦合模和后向传播光场包络的耦合模； 步骤二四、计算出外界应变作用下，光传输到光栅位置ζ处的波数失谐量与外界应变之间的关系； 步骤二五、计算出微应变下光栅耦合系数与非均匀应变场作用下的交流折射率、非均匀应变场作用下的折射率交流分量的变化量和光栅的相位之间的关系； 步骤二六、计算出在外界应变作用下，在坐标位置ζ处与ζ+Λ1Ε(ζ)处的第d段光场的传输矩阵，Δ 1ε (ζ)为非均匀应变场作用下光栅第d段光场长度，即Λ I ε (ζ) = Λ I (1+ ε (ζ))，Λ I为没有非均匀应变场作用时光栅第d段光场长度，Δ 1=L/N,N为没有外界应变作用之前光栅长度L平均分成的层数，ε (ζ)为外界应变； 步骤二七、通过步骤二六得到在外界应变作用下总的传输矩阵； 步骤二八、通过步骤二七得到的在外界应变作用下总的传输矩阵计算出微应变下光栅光谱的反射系数。
4.根据权利要求3所述的基于非均匀光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别方法，其特征在于，步骤二一中所述的没有加入外界应变之前光栅的有效周期的表达式为
5.根据权利要求3所述的基于非均匀光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别方法，其特征在于，步骤二二中所述的非均匀力场作用下的相位变化的表达式为
6.根据权利要求3所述的基于非均匀光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别方法,其特征在于，步骤二三中所述的在非均匀外界应变场作用下，光纤中前向传播光场包络的耦合模的表达式为
7.根据权利要求3所述的基于非均匀光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别方法，其特征在于，步骤二四中所述的光传输到光栅位置ζ处的波数失谐量与外界应变之间的关系的表达式为式⑵
8.根据权利要求3所述的基于非均匀光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别方法，其特征在于，步骤二五中所述的微应变下光栅耦合系数与非均匀应变场作用下的交流折射率、非均匀应变场作用下的折射率交流分量的变化量和光栅的相位之间的关系的表达式为
9.根据权利要求3所述的基于非均匀光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别方法,其特征在于，步骤二六中所述的在外界应变作用下，在坐标位置ζ处与
10.根据权利要求3所述的基于非均匀光纤布拉格光栅分布式传感的光谱识别方法，其特征在于，步骤二七中所述的在外界应变作用下总的传输矩阵的表达式为
【文档编号】G01D3/028GK103528599SQ201310455613
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月29日 优先权日:2013年9月29日
【发明者】于雪莲, 沈涛, 熊艳玲, 胡超, 杨倩茹, 王伟佳 申请人:哈尔滨理工大学