1 武汉纺织大学 电子与电气工程学院 纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室，湖北 武汉 430200
2 中南民族大学 生物医学工程学院 医学信息分析及肿瘤诊疗湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074
在人体运动监测的过程中，膝关节运动信息在中老年慢性疾病的诊断和康复评估方面具有重要意义。研制了一种基于光纤马赫曾德尔干涉曲率传感器（Mach-Zehnder interferometer-based directional bending，MZI-BDB）的膝关节弯曲检测系统。该系统由MZI-BDB传感器、扫频激光光源、光纤耦合器、光纤隔离器、光电探测器及信号处理系统构成。MZI-BDB传感器由偏心光纤和单模光纤错位熔接而成，封装于软硅树脂片内，通过绑带固定于膝关节处。当膝关节屈曲和伸展时，诱导MZI-BDB传感器发生弯曲，传感器内透射光信号干涉场的模场状态发生变化，谐振波长发生漂移，从而对膝关节的弯曲方向和曲率进行监测。MZI-BDB传感器在正向和负向弯曲的测量角度范围为0°~90°；在正向弯曲方向上灵敏度和分辨率分别为5.29 nm/m−1和0.11 m−1；在负向弯曲方向上的灵敏度和分辨率分别为−3.11 nm/m−1和0.12 m−1。实验测试MZI-BDB传感器温度敏感度为0.043 nm/℃，该结果显示传感器对温度的不敏感特性。光电编码器与MZI-BDB传感器同时进行数据的传感采集。实验结果表明：该检测系统和光电编码器验证平台在准确度和响应度上具有一致性。
光纤传感器 偏心光纤 曲率传感器 步态分析 optical fiber sensing eccentric core optical fiber curvature sensor gait analysis 红外与激光工程
2021, 50(12): 20210195
1 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094
针对大口径望远镜光学系统内部空间限制的特点,为了实现失调量校正,提出了一种基于本征系数的失调量解算方法。该方法首先利用波前曲率传感器的原理,通过交替测量前后离焦面的方式采集光斑图。然后,利用无需分区探测的本征函数法进行波前重构,利用本征系数来表征系统波像差,并依据失调量建立灵敏度矩阵模型。最后,根据失调状态与理想状态的本征系数即可求解出失调量。与其他技术途径相比,该方法具有无需添加光学元件、无需分区探测、运算简单的特点。主镜直径为1.8 m的望远镜实验结果表明,当次镜偏心距离范围为-0.9~0.9 mm、倾斜角范围为-0.2°~0.2°时,利用本征系数灵敏度矩阵法得到的计算值的误差均小于10%,对大口径望远镜中的应用具有一定的意义。
光学设计 大口径望远镜 曲率传感器 本征系数 灵敏度矩阵 失调量解算 光学学报
2021, 41(19): 1922001
1 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
波前探测是辅助望远镜装调的主要技术手段,针对大口径光学系统内部空间受限的问题,提出一种基于本征模式系数求解失调量的计算机辅助装调方法。相比传统的灵敏度矩阵法,本文方法计算量小,不需要对探测器进行分区处理,简化了波前重构矩阵的构造。通过分析本征模式系数与次镜失调量的关系,建立两者之间的灵敏度矩阵模型,对1 m口径同轴三反望远镜进行装调仿真,在次镜偏心为±0.3 mm、倾斜为±0.2°的失调范围内,两步迭代实现了像差校正,得到的中心视场波前像差均方根值(RMS)均小于λ/14。该研究对未来大口径光学系统的装调工作有很好的实用价值。
激光与光电子学进展
2021, 58(12): 1211001
1 北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院 光电测试技术及仪器教育部重点实验室, 北京 100192
2 北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室, 北京 100016
针对浮空器囊体形状的实时传感问题, 研究了柔性复合蒙皮形变光纤传感方法。分析了柔性复合蒙皮形状传感原理与算法; 制备了Vectran纤维（聚芳酯纤维）蒙皮试样, 实验研究了柔性蒙皮的曲率变化与光纤光栅曲率传感器中心波长漂移量的关系, 分析了坐标系变换的曲线重构算法在浮空器蒙皮材料应用下的精度。得出FBG曲率传感器中心波长的漂移量随蒙皮材料的曲率半径增大而增大, 形变曲率半径在1～12m-1范围内时, 蒙皮形变传感重构误差小于4mm。研究结果表明: 用光纤光栅传感方法可实现浮空器柔性蒙皮形变的传感和重构, 在浮空器囊体形变监测中具有应用前景。
光纤布拉格光栅 曲率传感器 浮空器 蒙皮材料 曲线重构 FBG curvature sensor aerostat skin material curve reconstruction
华北理工大学电气工程学院, 河北 唐山 063210
针对光栅型波前曲率传感器,提出一种基于最大类间方差法和质心法相结合的光斑自动定位提取算法,并进行了实验验证。使用最大类间方差法对原始光强分布图像进行二值化;根据质心坐标对二值化图像进行分割,得到两幅含有单个光斑的二值化图像;分别计算两幅图像的质心坐标,作为原始光强图像中的两个光斑中心,并在原始图像中进行光斑提取。搭建了基于离轴菲涅耳波带片的光栅型波前曲率传感器实验装置,采用上述方法自动提取光斑,采用拉普拉斯算子本征模式法进行波前复原,并与哈特曼波前传感器的测量结果进行了比较。研究结果表明该算法能够自动提取光栅型波前曲率传感器的光斑,定位误差小于4 pixel。
自适应光学 波前曲率传感器 光斑提取 最大类间方差法 质心法 激光与光电子学进展
2019, 56(22): 220101
北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100016
为了实现生物医疗领域软体手术机器人等柔性机构的曲率测量, 本文提出并设计了基于PVC(Polyvinyl Chloride, 聚氯乙烯)和硅胶复合基底的光纤布拉格光栅柔性曲率传感器。将光纤光栅植入到硅胶片中, 并将硅胶片粘贴在PVC基底的表面, 形成基于PVC和硅胶复合基底的曲率传感器。使用标准曲率校准块对传感器进行了校准实验, 测试不同曲率下传感器的反射光谱、波长漂移量等参数。为了证明PVC基底对植入在硅胶中FBG传感器的性能影响, 对基于PVC和硅胶复合基底和基于硅胶基底的传感器进行了灵敏度和重复性的实验测试。实验结果表明: PVC基底可以提高植入硅胶中FBG曲率传感器的灵敏度和重复性, 且基于PVC-硅胶复合基底的传感器灵敏度最高可达245.5 pm/m-1, 偏差指数不足3%。该传感器在生物医学等软体机器人和柔性机构的曲率测量中具有广阔的应用前景。
光纤传感 曲率传感器 光纤布拉格光栅 灵敏度 重复性 一致性 fiber sensing curvature sensor Fiber Brag Grating(FBG) sensitivity repeatability consistency
1 北京交通大学机械与电子控制工程学院, 北京 100044
2 北京建筑大学经济与管理工程学院, 北京 100044
3 北京交通大学载运工具先进制造与测控技术教育部重点实验室, 北京 100044
利用光纤在不同弯曲曲率下的不同形变,提出并验证了一种基于七芯光纤和少模光纤的新型光纤曲率传感器。分别制作了三种不同结构的传感器,利用快速傅里叶变换分析了它们的干涉模式,获得波长的传感灵敏度分别为6.33,30.83,15.96 nm/m,强度的传感灵敏度分别为8.57,25.65,1.96 dB/m。
光纤光学 曲率传感器 七芯光纤 少模光纤
北京信息科技大学 光电信息与仪器北京市工程研究中心, 北京 100192
面向生物医学智能装备和软体机器人等领域柔性机构以及高端装备和重大基础设施复杂结构的曲率测量需求, 提出一种高适应性柔性曲率传感器。通过将光纤布拉格光栅封装在硅胶基体中, 并将硅胶基体与聚氯乙烯薄片贴合, 形成基于光纤布拉格光栅的柔性硅胶曲率传感器。采用光纤传感解调系统和标准曲率标定块, 实验测得光纤光栅传感器反射谱特征及其随标定块曲率变化规律, 分析了光栅波长位移与曲率变化的关系以及传感器灵敏度与嵌入硅胶基体深度的关系。实验结果表明: 硅胶-聚氯乙烯基体的曲率传感器可以实现曲率变化实时测量, 最高灵敏度可达0.329 2 nm/m-1。随着光纤光栅嵌入深度的增加, 传感器灵敏度在0.2~0.35 nm/m-1范围内逐渐增大。在多次重复测量中传感器具有较好的一致性, 可用于柔性机构和复杂结构的曲率测量。
曲率传感器 硅胶基体 PVC基体 FBG传感 测量标定 curvature sensor silicone rubber matrix PVC matrix FBG sensing measuring calibration 红外与激光工程
2019, 48(2): 0222001
华北理工大学电气工程学院, 河北 唐山, 063009
针对光栅型波前曲率传感自适应光学中的拉普拉斯算子本征函数实时波前复原方法，分析了光电探测器上的光斑大小和位置偏差，以及本征模式数量对波前复原精度的影响。结果表明：截取的光斑区域大小对波前复原精度有较大的影响，可采用环围能量比进行确定；由于存在其他级次的衍射光，光斑区域位置偏差不仅会引起波前倾斜误差，还会引起其他波前误差；当采用的模式过多时，由有限的分辨率引起的模式耦合会显著影响波前复原精度，可利用模式间的相关系数来估计最佳模式数。
自适应光学 波前曲率传感器 波前复原 拉普拉斯算子本征函数 激光与光电子学进展
2016, 53(8): 080103
1 河北联合大学电气工程学院, 河北 唐山 063009
2 河北联合大学图书馆, 河北 唐山 063009
3 中国科学院光电技术研究所自适应光学实验室, 四川 成都 610209
结合液晶空间光调制器(LC-SLM)的可编程相位调制能力，分析了基于LC-SLM 的相位型光栅波前曲率传感器的实现方法。在此基础上，研究了基于拉普拉斯算子本征函数的闭环波前复原方法，通过数值仿真分析了该方法的精度和稳定性。结果表明，与开环复原方法相比，闭环复原方法具有更高的精度和更大的测量范围，而且模式耦合对其稳定性影响很小。
大气光学 曲率传感器 液晶空间光调制器 相位复原 闭环 激光与光电子学进展
2015, 52(8): 082301
