鲁棒有效的弱小目标检测算法是光电跟踪系统成功的关键。本文针对空中远距离红外弱小目标检测的实际问题，在人类视觉对比机制基础上提出了一种检测率高、误报率低、处理时间短的红外小目标检测方法。首先，利用基于恒虚警率的Top-hat 滤波和自适应阈值操作对原始图像进行预处理，得到疑似目标区域，该步骤可大大减少计算时间，同时保持恒定的虚警概率和可预测的检测概率；然后，定义了一种新颖有效的局部对比度测量算子，并引入图像局部的自相似性计算局部显著图，该过程不仅可以增强图像目标的视觉显著性，同时还可以抑制噪声，提高区域目标的信噪比；最后，在显著图基础上，利用简单的阈值操作就可以获得真实目标。定性定量实验结果表明，本文提出的方法与4 种现有检测算法相比，具有更高的检测率、更低的虚警率和更少的检测时间，是复杂背景下红外弱小目标检测的有效方法。

实现光纤Bragg光栅倾角传感器的静态的测试和性能分析。设计了一种量程为5°的倾角传感器标定装置, 对其进行校准实验。通过对光纤光栅解调仪的中心波长差和标定装置产生的倾角值进行最小二乘法拟合, 求出静态标定系数, 并对倾角传感器标定装置的不同不确定度分量进行分析以求出合成不确定度。实验结果表明, 光纤传感器的灵敏度为0.17343nm/(°), 线性度为99.993%, 重复性误差为0.0552%, 标定装置的合成不确定度为8.606×10-2°。

为了适应公路边坡倾斜监测的需要, 提出了一种新型的水银柱活塞差动式光纤布拉格光栅(FBG)倾角传感器。传感器所测对象的倾角发生变化时, 水银柱在金属壳内的有效长度发生改变, 对传压活塞的压力也相应改变。传压活塞通过传力杆将水银的压力传递给等强度悬臂梁自由端, 使得粘贴在等强度悬臂梁左右两侧的FBG中心波长变化。利用有限元方法在不同倾斜角度下运用两点粘贴法分析等强度悬臂梁与FBG的应力特性, 根据仿真参数研制了倾角传感器, 并对该传感器进行了角度标定实验和温度敏感实验。实验结果表明, FBG倾角传感器量程范围为0°~40°, 灵敏度为21.8 pm/(°), 拟合度R2为0.998, 重复性为1.12%。

为了适应矿井、大坝对渗压监测的需要, 提出一种活塞和菱形传压结构相结合的光纤布喇格光栅渗压传感器, 活塞把测试压力传递到菱形传压结构, 菱形传压结构拉动其上下对称连接的弹性钢片, 导致粘贴在弹性钢片上的光纤布喇格光栅中心波长产生变化.利用有限元方法在500 kPa的测试环境中对顶角分别为90°、110°、130°、150°情况下菱形传压结构的应力特性进行分析, 根据仿真参量研制了渗压传感器, 并对该传感器进行了压力标定试验和温度补偿试验.实验结果表明: 传感器对渗压的灵敏度为2.04 nm/MPa, 拟合度为0.997, 重复性为0.9%, 两个测压光栅温度灵敏度分别为0.023 33 nm/℃、0.021 68 nm/℃, 温补光栅为0.009 916 nm/℃.

为实现对公路边坡的稳定性安全监测, 需要检测边坡的应变变化。元绿公路K77+120～K77+215段为一坡度30°、高度差达65m的边坡, 由于土质松散而形成一滑坡地带, 在其自然坡面前端挖掘5个30m深钻孔, 把光纤Bragg光栅应变传感器分别埋入5个钻孔之中, 浇灌水泥使之固定, 形成5个应变桩, 实现对桩体的应变监测, 从而反应边坡的应变变化情况。经过两个月的监测, 1孔洞到5孔洞最大应变变化依次为400με、80με、130με、-60με、46με, 且依次出现在6m、16m、14m、16m、30m深度的位置。表明此边坡在6m深度及15m深度地层结构比较松散。

为实现FBG对边坡的稳定性监测，需要对传感器的布设进行优化。楚雄腰站变电站二级边坡，平台宽1.5m，坡角30°，材质为回填土，其背靠变电站，易受大型设备压力作用而影响稳定性。建立实际边坡模型，利用有限元强度折减法分析计算，结果显示，最大塑性应变出现在二级边坡平台表面及其附近。所以在二级边坡平台上布设3根应变桩来实现深层监测，实际监测结果显示，各应变桩最大应变分别：420με、400με、-360με，对应位置分别出现在深度1m、2m、2m处，现场观测平台表面及其附近出现裂缝，结果均能够与仿真优化布设结论较好吻合。

围岩压力状况的在线实时监测,特别是在煤矿爆破过程中,对及时采取安全支护措施和预防顶板失稳具有重要意义。利用ANSYS有限元仿真分析顶板的受力分布,将一种双膜式光纤Bragg光栅土压力传感器通过全锚锚杆使传感器均匀地承接来自直接顶的压力作用。在试点处,通过螺母与锚杆伸出端的螺纹连接,用托盘将土压力传感器紧紧顶靠在围岩顶板上。采集数据显示,监测数据的曲线走势出现三次峰值突变,分别为128kPa、87kPa和134kPa,反映出煤矿爆破对围岩压力产生的扰动作用。实现了在爆破过程中对围岩压力的实时监测,为进一步的顶板失稳预报提供了可靠的数据支持。

为了实现对变压器振动的状态监测,需要选择有效位置布置测点。变压器主要由铁芯、绕组构成,并由夹具固定,在工作状态下产生振动,尤其在共振时振动过大会造成绕组及铁芯变形,从而导致运行故障。通过有限元分析,建立绕组及铁芯-绕组模型,得到绕组前三阶固有频率,分别为1749.1 Hz、1760.8 Hz、1911.3Hz,铁芯-绕组模型前三阶固有频率分别为70.807 Hz、142.59 Hz、163.73Hz,同时得到相应振动波形及谐响应曲线。通过分析可知,在进行铁芯-绕组整体振动监测时应将测点置于变压器顶端,而针对绕组监测时应将变压器置于绕组中部。

等强度悬臂梁作为力学传感器的关键转换元件, 不同尺寸和材料的悬臂梁, 其自由端的挠度和作用力的量程及光纤光栅的最大微应变也不同。采用光学测量中的基本元件光纤光栅及等强度悬臂梁为模型基础, 设计模型平面节点坐标有六个, 平面节点坐标可以改变等强度悬臂梁的尺寸, 模型厚度依次设置为0.005m、0.010m、0.015m、0.020m、0.030m。对初始尺寸, 厚度为0.005m, 材料选择为碳素钢的悬臂梁的仿真, 结果表明, 光纤光栅工作在均匀应变区时, 其自由端挠度的量程为0~2.767×10-2m, 作用力的量程为0~437N,光纤光栅的最大微应变为171με。

光纤传感器测量温度变化时为消除外加应力应变对温度产生的影响,设计了双套管式光纤Bragg光栅(FBG)温度传感器,双层结构用来隔离外加应力应变。对温度传感器建立平衡态模型, 并进行有限元热分析,仿真结果分析表明,当温度从20℃跃变到70℃、70℃跃变到20℃时,温度响应时间分别为t0.9=50±1s、t0.9=60±1s。并与水浴法测温实验结果(t0.9=52s、t0.9=63s,灵敏度为9.8410-3nm/℃,线性度为99.88%)相比较,时间偏差小于3s。