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基于瑞利散射强度谱动态扩展的大量程分布式光纤传感系统

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光学学报 2024年第11期 259-265页

作者：陈家豪刘庆文常晏铭何祖源上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室

基于背向瑞利散射和啁啾脉冲的光纤分布式声传感器实现了动态信号的高性能测量，但其过小的量程限制了准静态信号的测量能力。为此，本文提出了一种基于瑞利频谱解调法的频谱扩展算法，利用光纤受到应变时瑞利散射强度谱发生频移的特点... 详细信息

基于背向瑞利散射和啁啾脉冲的光纤分布式声传感器实现了动态信号的高性能测量，但其过小的量程限制了准静态信号的测量能力。为此，本文提出了一种基于瑞利频谱解调法的频谱扩展算法，利用光纤受到应变时瑞利散射强度谱发生频移的特点，在应变测量过程中动态扩展分布式光纤传感系统的参考频谱频率范围以提高测量量程。在实验中，利用扫频范围为1 GHz的啁啾脉冲，实现了198με应变信号的测量，测量量程相较于无扩展算法时扩大了65倍。

关键词：分布式光纤传感瑞利散射传感量程互相关频谱扩展

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“分布式光纤传感”专题前言

光学学报 2024年第1期44卷 9-10+2页

作者：张旭苹何祖源饶云江 OSA SPIE 电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室 13. 中国光学学会纤维光学与集成光学专业委员会中国光学工程学会中国光学工程学会光纤传感技术专业委员会重庆大学光纤技术研究室电子科技大学光纤光学研究中心电子科技大学之江实验室光纤传感研究中心中油奥博(成都)科技有限公司南京大学南京大学“智能光传感与调控技术”教育部重点实验室南京大学江苏省分布式光纤传感技术与网络工程研究中心南京大学智慧城市研究院中国光学学会光电技术专业委员会中国仪器仪表学会 IEEE SPS Nanjing 上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室 IEEE

分布式光纤传感器是一种可以发挥传感合一独特优势的光纤传感器。它利用光纤中的背向散射感知光纤/光缆周边的温度、应变、振动等各种被测量沿着光缆的分布信息。基于分布式光纤传感，一条光缆能够成为一条连续的传感器，可同时获取沿...

分布式光纤传感器是一种可以发挥传感合一独特优势的光纤传感器。它利用光纤中的背向散射感知光纤/光缆周边的温度、应变、振动等各种被测量沿着光缆的分布信息。基于分布式光纤传感，一条光缆能够成为一条连续的传感器，可同时获取沿着长达数十km甚至上百km的光缆各个位置处的被测量信息。例如，一条10 km长的光缆，如果用1 m的采样间隔进行测量，就成为1万个传感器。

关键词：

基于质子交换和刻蚀工艺的体铌酸锂阵列波导光栅

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光学学报 2023年第13期43卷 20-26页

作者：袁佳茜刘嘉程杜江兵何祖源上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室上海200240

提出一种将质子交换技术和刻蚀技术结合的体铌酸锂波导和器件加工方案,基于质子交换的铌酸锂晶体相变特性改变,降低了质子交换区直接刻蚀难度,结合质子交换的纵向折射率改变和刻蚀波导的横向结构改变,波导尺寸显著降低,采用粒子群算法... 详细信息

提出一种将质子交换技术和刻蚀技术结合的体铌酸锂波导和器件加工方案,基于质子交换的铌酸锂晶体相变特性改变,降低了质子交换区直接刻蚀难度,结合质子交换的纵向折射率改变和刻蚀波导的横向结构改变,波导尺寸显著降低,采用粒子群算法优化波导尺寸,最小可达2.5μm。基于该工艺方案设计了中心波长为1550 nm、四通道且通道间隔为400 GHz的阵列波导光栅,该阵列波导光栅的传输损耗约为6 dB,相邻通道间串扰均低于22 dB,整体尺寸仅为850μm×620μm,在高密度铌酸锂光子集成互连等场景具有较大的应用潜力。

关键词：光栅铌酸锂质子交换粗波分复用阵列波导光栅

面向地壳形变观测的超高分辨率光纤应变传感系统

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物理学报 2017年第7期66卷 158-169页

作者：何祖源刘庆文陈嘉庚上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室上海200240

高分辨率光纤应变传感系统是地球物理学中地壳微弱形变观测的有力工具.相比于传统的地壳应变观测技术,光纤应变传感器具有测量分辨率高、抗干扰能力强、尺寸小、可复用、易于安装布设等特性,在建立新型地壳形变监测网络中具有很大的应... 详细信息

高分辨率光纤应变传感系统是地球物理学中地壳微弱形变观测的有力工具.相比于传统的地壳应变观测技术,光纤应变传感器具有测量分辨率高、抗干扰能力强、尺寸小、可复用、易于安装布设等特性,在建立新型地壳形变监测网络中具有很大的应用潜力.本文围绕面向地壳形变观测的纳应变级分辨率光纤应变传感器技术,阐述了应变传感原理与实现超高测量分辨率的机理,并详细介绍了扫频探测、Pound-Drever-Hall解调技术、边带探测、双回路锁定传感、传感器时分复用等技术及相应的传感器系统实现方案,最后,给出了超高分辨率光纤传感器在现场观测的实验结果与分析.

关键词：光纤传感地壳形变测量超高分辨率光纤布拉格光栅

基于窄线宽扫频光源的高分辨率阵列式光纤光栅温度传感系统

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光学学报 2023年第9期43卷 24-30页

作者：陈伟刘庆文常晏铭刘姝廷何祖源上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室上海200240 鹏城实验室广东深圳518055

高精度温度传感器在地球物理、海洋科学、石油化工等领域具有广泛应用。针对传统光纤光栅温度传感器分辨率较低的问题,提出一种基于光纤光栅的高精度多点复用温度传感系统,该系统采用封装好的不同中心波长的π相移光纤光栅作为温度敏感... 详细信息

高精度温度传感器在地球物理、海洋科学、石油化工等领域具有广泛应用。针对传统光纤光栅温度传感器分辨率较低的问题,提出一种基于光纤光栅的高精度多点复用温度传感系统,该系统采用封装好的不同中心波长的π相移光纤光栅作为温度敏感单元,以扫频激光器和波分复用技术检测各光纤光栅谐振波长,并引入氰化氢标准气体吸收室作为波长参考,用非平衡马赫-曾德尔干涉仪补偿光源扫频过程中的非线性,以提升波长测量精度。实验实现了对10个温度传感探头的同时探测,温度分辨率达到10^(-4)℃水平,测量范围达到0~100℃。该光纤光栅温度传感系统在高精度温度测量领域具有广阔的应用前景。

关键词：光纤光学高精度温度传感扫频激光相移光纤光栅光纤光栅封装光纤光栅阵列

具有混合时延的网络化控制系统故障检测方法研究

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具有混合时延的网络化控制系统故障检测方法研究

作者：何祖源东北石油大学

学位级别：硕士

随着工业生产逐渐步入网络化智能化的新时代,网络化控制系统凭借其低成本、结构灵活和易于安装等优点在航空航天、远程监控、通讯运输等领域具有良好的应用前景。这种可实现网络化和分布化的闭环控制系统与传统的点对点结构控制系统相比... 详细信息

随着工业生产逐渐步入网络化智能化的新时代,网络化控制系统凭借其低成本、结构灵活和易于安装等优点在航空航天、远程监控、通讯运输等领域具有良好的应用前景。这种可实现网络化和分布化的闭环控制系统与传统的点对点结构控制系统相比,可以通过连接网络空间和实体空间来长距离执行许多任务。网络信号都是由共享的网络(和有线)传输,但是,受网络信道带宽限制,网络本身必然会造成时延、信息丢失等可以引发系统故障的难题,这些都会对系统自身稳定性产生比较深远复杂的影响。而随着21新世纪对工业系统所要求的大小程度及繁复性不断提高,研究人员对其表现出的安全性和稳定性也寄予了更高的希望,任何部件发生故障都可对生产单元造成十分严重的经济损失。故障检测不仅是判断系统是否发生故障的检验方法还是建立预警机制以确保系统安全运行的重要基础。因此,在自动控制领域研究网络环境下的故障检测问题具有重要的理论意义和实际应用价值。本文针对能量有界和持续峰值有界两种类型的外部噪声干扰选取不同的系统性能指标,分别进行深刻探讨连续线性网络化系统和非线性网络化系统的故障检测问题,同时考虑具有混合时延、数据丢失以及传感器饱和等约束条件,再选取H和L两个性能指标对系统进行稳定性分析,最后通过MATLAB仿真证明文中所设计方法的可行有效性。主要研究内容如下:首先,研究含有时变时延的网络化系统故障检测问题。通过求解基于观测器的H故障检测滤波器来解决系统故障检测问题,构造一个闭环控制系统并利用Lyapunov稳定性理论分析了系统的稳定性,并基于线性矩阵不等式技术为存在H故障检测滤波器提供了充分条件,再使用凸优化方法获取所设计的故障检测滤波器参数矩阵,通过仿真验证了该方法的有效性。另一方面,利用基于滤波器形式的故障检测滤波器来生成残差信号,运用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式方法在满足L性能指标的同时还保持系统所需的渐近稳定性,通过数值仿真验证了设计方法的可行性。其次,考虑被控对象中的概率区间时滞,进一步研究网络化系统的故障检测问题。假设在网络环境中时变时延具有一定的随机特征,引入伯努利随机变量来表示不同间隔的时延分布概率,并利用概率分布信息创建一个新的闭环控制系统模型。运用Schur补引理和积分不等式等方法,使故障检测系统满足一定的H干扰抑制水平,通过残差评价函数值在故障发生瞬间是否超过阈值来判断系统发生故障的情况。另一方面,针对外部干扰信号为持续峰值有界的概率区间时滞系统,研究具有传感器饱和约束的L故障检测问题。通过构造时滞相关的Lyapunov-Krasovskii函数建立使系统均方渐近稳定且具有L噪声抑制水平的性能准则。利用线性矩阵不等式技术设计系统的低保守性故障检测滤波器,数值仿真表明所提方法能够准确快速地检测到故障信号。再次,针对基于T-S模糊模型描述的含有分布时滞的非线性系统,研究该系统的H故障检测问题。首先,基于平行分布补偿原理和Lyapunov理论,通过构造了时滞相关和基依赖的Lyapunov-Krasovskii函数使所设计的故障检测滤波器保证了系统渐近稳定,进行全等变换和变量替换建立系统外部噪声干扰为能量有界时的H性能判据,获得目标故障检测滤波器矩阵参数,通过MATLAB仿真表明了所设计方法的可行性。最后,针对具有随机测量数据丢失、随机时滞和分布时滞的网络控制系统,研究其受到外部干扰信号为持续峰值有界的L故障检测问题。设计产生残差信号的故障检测滤波器,利用伯努利随机分布描述系统自身存在的随机测量数据丢失和随机时滞,通过构造时滞相关的Lyapunov-Krasovskii泛函使故障检测系统均方渐近稳定,在持续强噪声干扰下满足L抑制水平,以线性矩阵不等式形式得出低保守性故障检测L滤波器参数。数据仿真表明该方法可有效灵敏地检测到故障信号。

关键词：故障检测网络控制系统 Bernoulli随机分布分布时滞传感器饱和

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计算重构光谱分析仪研究进展

应用科学学报 2021年第5期39卷 695-712页

作者：万阳阳樊昕昱何祖源上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室上海200240

光谱测量广泛应用于科学研究及工业生产中,而传统光谱仪因体积庞大难以满足众多应用需求。近年来,快速发展的计算重构光谱分析仪因其具有紧凑小巧、高分辨率和大测量带宽等优势而成为研究热点。光波经过计算重构光谱分析仪后所产生的光... 详细信息

光谱测量广泛应用于科学研究及工业生产中,而传统光谱仪因体积庞大难以满足众多应用需求。近年来,快速发展的计算重构光谱分析仪因其具有紧凑小巧、高分辨率和大测量带宽等优势而成为研究热点。光波经过计算重构光谱分析仪后所产生的光斑图案与波长存在一一对应关系,因此采取合适的解调算法可以从生成的光斑图案中重构入射光谱信息。目前计算重构光谱仪已能实现am量级光谱分辨率以及数百nm的测量带宽。本综述介绍了目前各类型计算重构光谱分析仪的工作原理以及性能指标,探讨了不同类型计算重构光谱分析仪的优缺点,分析了进一步提升性能指标的方法,展示了一些基于计算重构光谱分析仪的应用,以及展望了其未来发展前景。

关键词：光谱学光斑光谱仪高分辨率

基于卷积神经网络的双层生物组织光学参数反演研究

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激光与光电子学进展 2022年第6期59卷 257-264页

作者：鲍瑞刘庆文刘远远何祖源上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室上海200240

生物组织的吸收系数和散射系数与组织的生理状态相关,是检测人体健康状态的重要指标。当前双层生物组织模型的光学参数反演方案中,吸收系数和散射系数的预测精度受到上层组织厚度等参数的影响较大,限制了模型的实际应用范围。为此,提出... 详细信息

生物组织的吸收系数和散射系数与组织的生理状态相关,是检测人体健康状态的重要指标。当前双层生物组织模型的光学参数反演方案中,吸收系数和散射系数的预测精度受到上层组织厚度等参数的影响较大,限制了模型的实际应用范围。为此,提出一种对上层组织厚度等参数不敏感的吸收和散射系数反演方法。通过采集漫反射光信号的空间和时间分布信息,并利用卷积神经网络来反演双层生物组织的吸收系数和散射系数,在随机的上层组织厚度和折射率等参量下实现较高的吸收系数和散射系数反演精度。在仿真实验中,基于改进的蒙特卡罗模拟获得双层皮肤模型在不同空间探测位置处、不同时刻的漫反射光强信息,然后利用卷积神经网络实现对两层皮肤组织吸收系数和散射系数的预测。结果表明:在固定的上层组织厚度和折射率参数下,吸收系数和散射系数反演的平均相对误差均小于4%;而当上层组织厚度和折射率存在随机变化时,吸收系数和散射系数的平均相对误差仍小于8%。相较其他方法,所提的测量方案和反演算法进一步提升了反演精度和扩展了实际应用场景,为生物组织光学参数的无创测量提供了新思路。

关键词：生物光子学组织光学参数漫反射率蒙特卡罗模拟卷积神经网络

传感器饱和约束下区间时滞系统L_(1)故障检测

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控制工程 2021年第5期28卷 918-923页

作者：李艳辉何祖源东北石油大学电气信息工程学院黑龙江大庆163318

准确地检测出故障信号对保证系统的稳定性与安全性至关重要。针对外部干扰信号为持续峰值有界的概率区间时滞系统,研究具有传感器饱和约束的L_(1)故障检测问题。通过构造时滞相关的Lyapunov-Krasovskii函数和利用积分不等式方法建立使... 详细信息

准确地检测出故障信号对保证系统的稳定性与安全性至关重要。针对外部干扰信号为持续峰值有界的概率区间时滞系统,研究具有传感器饱和约束的L_(1)故障检测问题。通过构造时滞相关的Lyapunov-Krasovskii函数和利用积分不等式方法建立使系统均方渐近稳定且具有L1噪声抑制水平的性能准则。利用线性矩阵不等式设计系统的低保守性故障检测滤波器,数值仿真表明所提方法能够准确快速地检测到故障信号。

关键词：故障检测 L1性能概率区间时滞传感器饱和线性矩阵不等式