数字图像相关 (DIC) 方法是一种重要的位移和应变非接触式测量方法。为了对物体的非均匀应变进行准确测量,在DIC方法中引入位移最小一乘拟合,鉴于最小一乘拟合解析方法求解困难,采用基于模拟退火的混合粒子群算法进行求解。开展了虚拟剪切带形成的数值实验和相似材料断层滑移实验,并对非均匀变形条件下最小一乘拟合和最小二乘拟合的应变测量结果进行对比。研究发现:对于非均匀应变测量,最小一乘拟合的结果要优于最小二乘拟合;而对于均匀应变测量,两种方法具有相同的精度。

分析了光纤布拉格光栅(FBG)反射光谱的获取方式,根据反射光谱的特征,提出了利用相关系数改进FBG应变分布解调算法中优化目标函数的理论方法。结合差分进化算法,对改进算法与传统算法的性能进行了对比仿真。仿真结果表明,传统算法仅适用于能获知FBG真实反射率的情况,而改进算法还适用于无法获知FBG真实反射率的情况,所提方法提升了FBG应变分布解调算法的实际应用能力。

以剥层算法为基础, 分别从非均匀解调应变大小、重构算法的特征参量以及光栅初始结构参量等对光纤布喇格光栅应变重构准确度的影响进行相关研究分析.结果表明: 工作长度为5~30 mm 的光纤布喇格光栅最佳应变解调在 3 000 με以内, 在该应变解调范围内, 保持光栅剥层的分层长度为0.1 mm左右时, 应变重构准确度和效率较优, 折射率调制幅度越小, 应变重构误差越小; 同时, 对于非均匀应变检测使用的强光栅, 折射率调制幅度约为0.000 12时, 应变检测结果最好.本文的研究结果对提高非均匀应变的重构准确度具有重要的指导意义.

剥层法是重构光纤Bragg光栅(FBG)参数的常用方法，利用剥层法可以解调FBG非均匀应变。常规剥层法获得的FBG复耦合系数存在误差，为提高非均匀应变解调精度，提出基于剥层法的复耦合系数幅值修正改进方法。新方法在剥层求解当前层复耦合系数后，保留耦合系数相位，对耦合系数幅值进行修正，构成新的复耦合系数用于下一层反射谱的剥层求解。给出了改进算法求解非均匀应变的详细步骤和过程，并进行了仿真实验研究。利用传输矩阵法模拟仿真无应变、应变线性增大、应变线性减小以及二次曲线应变下的FBG反射谱，分别使用常规方法和改进的方法对各反射谱进行应变解调。结果表明：改进的方法获得的应变结果与理论应变有更高的一致性；不同理论应变下，改进的方法获得应变最大误差均值约为原始方法的1/5，均方根误差的均值约为原始方法的1/7，改进的方法解调误差远小于原始方法。

提出了一种新型的基于非均匀光纤布拉格光栅（FBG）精细谱和边沿解调的应变灵敏度增强型传感器。理论研究了在轴向非均匀应变情况下普通FBG的传输谱以及基于传输谱精细结构的应变响应特性。仿真结果表明，将均匀应变转为非均匀应变的新型传感器对应变的灵敏度为普通FBG的4.6倍。在实验上设计制作了这种可将被测物体的均匀应变转换为FBG的非均匀应变以提高应变灵敏度的传感器结构。实验测量结果证明了理论分析的可行性。这种传感器在采用窄线宽激光器的FBG边沿解调方案中具有提高动态应变响应灵敏度以及增大应变测量范围的作用，同时，由于其长度可小型化，在检测高频动态应变信号方面也有较大的应用前景。

采用传输矩阵法系统研究轴向非均匀应变场下相移光栅光谱特性, 对均匀应变、 线性应变、 二次应变以及三次应变分布下相移光栅反射谱进行仿真, 分析应变分布函数各项系数对反射率、 通透带宽、 透射窗口对应波长以及光谱形状的影响, 并得出规律性结论。 基于不同形状悬臂梁组建应变调谐实验装置, 利用有限元法计算固定于不同形状悬臂梁表面相移光栅栅区应变分布, 结合数值计算结果进行相移光栅应变调谐实验, 研究相移光栅栅区轴向在均匀应变场、 线性应变场以及二次应变场下相移光栅的反射光谱, 实验结果表明在不同应变场下相移光栅反射谱呈现规律性变化, 与仿真结果很好吻合。

用光纤布拉格光栅FBG测量非均匀轴向应变时，会由于反射波谱形状的改变而无法用测量Bragg波长的方法来完成解调,因此,研究了用光学低相干反射测量(OLCR)实现光纤Bragg光栅复杂应变测量的原理和方法。分析了以扫描Michelson干涉仪为核心的时分复用光学低相干反射测量系统的测量原理和实现过程。通过傅里叶变换，将脉冲响应转化为失调范围内的频率响应，采用光栅重构技术，获得光栅沿轴向各段的复耦合系数;然后,由各复耦合系数得到沿轴向各段的Bragg波长;最后,根据FBG的传感模型获得沿轴向的应变分布。将该系统用于复合层板Ⅰ型层分断裂试验中应变测量，得到了断裂过程中的轴向非均匀应变分布，结果切实可靠。FBG的平均应变测量精度为13.2 mm，系统的轴向扫描精度可达100 nm。实验表明,OLCR能够很好地实现FBG的复杂应变测量，具有很好的应用前景。

当布拉格光栅轴向存在大的应变梯度时,其反射光谱的形状会被扭曲,甚至出现多峰,发展非均匀应变分布重构方法对于结构健康监测技术具有重要意义。但采集反射光谱时的测试噪声会显著影响应变分布重构的精度。为此,提出了采用支持向量机对含噪的反射光谱进行回归预处理,并运用适应度排序改进的遗传优化算法结合传输矩阵反射光谱构建方法识别布拉格光栅轴向非均匀应变分布的方法。该方法将反射光谱视为时间序列,利用支持向量回归的全局优化和泛化能力进行噪声抑制,从而回归出有效的反射光谱; 通过传输矩阵方法将光栅轴向应变分段均匀化,利用改进的遗传算法进行并行重构。对多种应变分布形式下的应变重构进行了仿真研究,结果表明,支持向量机方法可以有效地进行反射光谱回归,提高非均匀应变分布重构的精度。