石斛是一种常用的中药材, 经常使用新鲜的或干燥的茎条入药, 有益胃生津、 滋阴清热的效果。 近年来, 药理学研究探索出石斛具有抗白内障、 抗氧化、 抗肿瘤、 提高免疫力的作用, 其在许多病例中疗效显著, 引起了国内外学者的关注, 然而不同时间采集的石斛中氨基酸、 微量元素等含量各不同, 其对应药用价值, 价格也不同, 因此石斛价格等级分辨的研究具有重要意义。 为快速鉴别不同价格、 不同药效的石斛, 研究了随机森林分类模型结合激光诱导击穿光谱技术(LIBS)对石斛价格等级进行分析建模。 选取5个等级的石斛样品进行建模, 为了对样品进行精确稳定分析, 所有石斛样品均通过粉碎压片减小实验误差。 采用1 064 nm波长的Nd∶YAG脉冲激光器作为激发光源, 设置激光脉冲能量50 mJ, 探测延时1 μs, 采集五个等级石斛样本的光谱数据, 每个等级的样本采集40组光谱, 共200组数据, 并采用归一化处理, 使所有的光谱数据转换到-1～1之间。 采用归一化处理后的光谱数据进行主成分分析, 通过主成分分析获得前7个主成分的得分矩阵, 其累计解释95.24%的光谱信息。 将选取的7个主成分作为输入, 建立波段为220~880 nm的随机森林鉴别模型。 并将石斛样本编号打乱, 任意选取50%的光谱数据作为训练集, 剩下50%的光谱数据作为测试集, 默认决策树个数ntree为500, 分裂属性集中属性个数mtry为5, 建立模型对不同等级的石斛进行分类。 等级一、 二、 三、 四、 五的识别率分别为95.45%, 100%, 78.26%, 94.12%和85%, 平均识别率为90.57%。 为提高识别率, 研究了不同的ntree和mtry对分类模型的影响, 利用袋外数据误差率估计对随机森林的两个参数进行了优化。 选择ntree为300, mtry为1, 等级一、 二、 三、 四、 五的识别率分别为100%, 100%, 92.31%, 100%和90%, 平均识别率为96.46%, 识别率提高了5.89%。 综上所述, 采用LIBS技术结合优化后的随机森林模型鉴别石斛等级具有一定的可行性, 为未来快速鉴定不同价格的石斛等级分类提供了可行性的判别系统。

瑞利布里渊光时域分析系统(BOTDA)存在信号小、噪声大的问题,会导致系统空间分辨率与信噪比难以同时提高。将脉冲编码技术引入瑞利BOTDA系统,可在不降低空间分辨率的前提下有效地提高系统信噪比和布里渊频移测量精度。分析了瑞利BOTDA温度传感系统的原理,介绍了Golay互补序列的特性,并给出了单脉冲和编码脉冲系统的信噪比表达式;搭建了单脉冲和脉冲编码瑞利BOTDA温度传感系统,测量了单脉冲瑞利BOTDA系统的温度传感特性及脉冲编码瑞利BOTDA系统的空间分辨率和温度测量精度。实验结果表明,由瑞利BOTDA系统获得的布里渊频移与温度呈良好的线性关系,温度系数为(1.109±0.010) MHz·℃ ^-1;当采用10 ns脉冲宽度、64 bit格雷编码时,在1.77 km光纤的加温段上实现了空间分辨率为1 m、温度测量精度为1.39 ℃的传感测量。

针对传统单脉冲布里渊光时域反射系统信号微弱、性能提升受限的问题, 提出了一种雪崩光电二极管(APD)检测器本地外差检测的格雷(Golay)编码布里渊光时域反射系统。分析了Golay码应用于该系统的编解码原理及系统外差检测原理, 讨论了光纤受激布里渊散射阈值对编码系统平均入纤功率的限制, 推导了系统信噪比的数学表达式, 研究系统信噪比与APD倍增因子、编码长度的关系, 分别得到了APD最佳倍增因子和系统最佳编码长度的表达式。MATLAB仿真结果表明, 选用带宽为500 MHz的APD光电检测器和峰值功率50 mW、脉冲宽度100 ns的入纤脉冲时, 系统APD倍增因子和编码长度均存在最佳值, 系统最佳编码长度的确定不仅依赖于系统的散粒噪声和热噪声功率, 还由光纤受激布里渊散射阈值共同决定。经优化计算得, 该系统的APD最佳倍增因子为5, 最佳编码长度为128位时, 在25 km光纤末端的系统信噪比比传统单脉冲系统提高了26.42 dB, 温度和应变分辨率分别达到了1.60 ℃和35.48。

针对传统的通过功率信息测量所得受激布里渊散射阈值偏高的问题, 提出了一种利用布里渊散射谱宽确定光纤受激布里渊散射阈值的新方法。分析了本地外差检测的原理及布里渊散射谱宽与入纤光功率的关系; 设计了基于本地外差检测的布里渊散射谱测量系统, 在常温下对不同长度标准单模光纤的受激布里渊散射阈值进行了测量。实验结果表明: 当光纤长度分别为48.8 km和9.5 km时, 根据功率信息获得的受激布里渊散射阈值对应的布里渊散射谱宽均接近恒定值10 MHz, 此时已发生严重的泵浦耗尽效应。利用布里渊散射谱表现出的低入纤功率时谱宽的线性下降特性和高入纤功率时谱宽的功率无关特性确定的两种光纤长度下的受激布里渊散射阈值分别为1.12 mW和3.8 mW, 对应的布里渊散射谱宽分别为24.86 MHz和23 MHz, 其值近似等于布里渊自然线宽。文中的研究结果对布里渊光时域反射系统最大入纤光功率的确定具有重要的参考价值。

相移谱的功率依赖特性对矢量布里渊光时域分析系统的优化设计具有重要意义。对增益型受激布里渊散射(SBS)相移谱进行了建模分析; 搭建了外差pump-Stokes系统, 在5 ~90 mW泵浦光功率和5 ?滋W~9 mW斯托克斯光功率范围内测量了400 m标准单模光纤的增益型SBS相移谱; 分析了Stokes光功率影响增益型SBS相移的机理。结果表明: 当固定Stokes光功率时, 增益型SBS相移范围与泵浦光功率成良好线性关系; 因泵浦耗尽作用的影响, 导致当Stokes光功率由5 ?滋W上升至8 mW时, 增益型SBS相移范围的泵浦光功率灵敏度由1.448 (°)/mW下降至1.156 (°)/mW。根据理论和实验结果, 对增益型VBOTDA系统进行了优化设计分析, 为其在长距离和高精度传感领域的发展奠定了基础。

将多波长激光光源技术引入瑞利布里渊光时域分析系统, 其中抑制载波的微波调制多波长脉冲基底1阶边带会在传感光纤中产生多波长背向瑞利散射; 将该散射光作为探测光与多波长传感脉冲发生受激布里渊散射(SBS)作用, 可有效地提高光纤SBS阈值和SBS作用效率, 进而提高系统信噪比和布里渊频移的测量精度。分析了相位调制器产生多波长激光光源的原理以及利用电光强度调制器产生作为探测光的多波长斯托克斯和反斯托克斯激励光的原理, 建模分析了多波长瑞利布里渊光时域分析系统原理, 给出了系统信噪比与波长数关系的表达式; 搭建了单波长和三波长光纤SBS阈值测量系统及瑞利布里渊光时域分析系统, 测量了光纤的SBS阈值和系统性能。实验结果表明, 当单波长与三波长瑞利布里渊光时域分析系统的传感脉冲宽度为100 ns, 峰值功率为100 mW, 单个波长的脉冲基底功率约为1.3 mW, 传感光纤长度为2.4 km时, 三波长较单波长系统的光纤SBS阈值和信噪比分别提高了3倍和2.83倍, 在2 km光纤内布里渊频移波动由33.4 MHz降至15.6 MHz。

为了减小相干瑞利噪声, 提出了一种多波长瑞利和布里渊自外差检测布里渊光时域反射系统。分析了相位调制产生多波长探测光的机理及三波长系统的自外差检测原理; 搭建单波长和三波长自外差检测布里渊光时域反射系统, 获得了沿光纤的自外差信号功率和布里渊频移。实验结果表明, 相对于单波长系统, 三波长系统有效地减小了相干瑞利噪声引起的功率波动, 信噪比提高近4.56 dB; 布里渊频移波动的均方根误差降低2.2 MHz。

为简化系统结构、减小相干瑞利噪声对系统性能的影响, 提出了一种采用宽带光源的瑞利和布里渊散射自外差检测布里渊光时域反射温度传感系统.分析了瑞利和布里渊自外差检测原理, 研究了布里渊频移和自外差信号功率与光纤温度和应变的关系.设计并搭建采用宽带光源的自外差检测布里渊光时域反射温度传感系统, 获得了常温下沿光纤分布的自外差信号功率谱及不同温度时加温段光纤的功率谱, 验证了布里渊频移和自外差信号相对功率变化随温度的线性增加关系.通过实验数据获得的布里渊频移和相对功率变化的温度系数分别为1.07±0.01 MHz/℃和(0.37±0.09)%/℃.本文的研究结果为基于瑞利和布里渊自外差检测布里渊光时域反射传感系统的温度和应变同时测量提供了理论和实验依据.