多模光纤输出光斑纹理特性及其应用的研究

发布时间：2020-07-15 03:13

【摘要】：随着光斑图样检测技术以及数字图像处理技术的日益发展,光纤输出端面光斑图样越来越多地应用在光纤传感、压缩感知、保密通信、光谱分析以及图像加密等多个领域。由于多模光纤芯径大、支持的传输模式数量多,输出光斑中蕴含了丰富的空间状态信息,因此基于多模光纤输出光斑的图样检测及其处理技术具有更大的研究和应用价值。本文对采用偏芯激励时的多模光纤输出光斑图样特点进行了细致的仿真和实验研究,并将其应用于微位移传感以及信号和图像的压缩感知两个方面。主要研究内容及创新点如下:(1)对偏芯激励结构及采用偏芯激励时多模光纤内部的模式激励情况进行了理论分析,对其输出光斑图样的处理算法进行了总结。(2)利用光束传播法获得了偏芯激励情况下,对应不同单模光纤与多模光纤轴心偏移量的一系列多模光纤输出光斑图样,提出通过对其二维傅里叶变换相位谱的灰度共生矩阵特征值进行提取来获得光斑纹理特征的新方法,并将其应用于微位移传感。对工作在不同波长下的不同结构参数的多模光纤光斑图样的分析表明,激励光纤与多模光纤之间径向微位移与光斑特征值成近似线性关系,仿真和实验结果获得了良好的一致性,为微位移测量提供了一种新方法。(3)基于多模光纤输出光斑图样和压缩感知理论,提出了一种利用多模光纤光斑数据构造压缩感知中测量矩阵的简便的信号采样和重构处理算法。用于一维信号恢复时,使用光斑图样的内接正方形对应数据构造测量矩阵,使用基追踪算法恢复原始稀疏序列;用于二维图像恢复时,对输出光斑图样裁剪和拼接,利用两种不同的光斑图样拼接方法构造测量矩阵,使用基追踪和正交匹配追踪算法恢复原始图像,并进行实验验证。此外,还利用无芯多模光纤的光斑图样构造测量矩阵,并与普通多模光纤光斑图样用于压缩感知得到的恢复效果进行比较,为压缩感知领域中测量矩阵的构造提供了一种新的光域实现方法。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;TN253
【图文】：

北京交通大学硕士学位论文逦＾＼ｔ＿逡逑图１－２中光源出射的激光经由单模光纤进入多模光纤，然后通过分束器等光器逡逑件进入多根多模光纤，通过传感区域，经探测器检测后进入处理器进行处理。多逡逑模光纤通过该传感区域时，间接与外界参量接触，可实现多点同时测量。这种结逡逑构传感器可测量一定区域范围内外界参量变化程度，如外界施加力的大小与位置，逡逑是单模一多模型结构的升级。此外还可将波分复用方式用在此结构中以进一步提逡逑升传感器的多路复用性能。逡逑翻器佊逡逑灥ｍ逦Ｃｌ）逦~|’丨逡逑栤模光纤逦多模光纤逡逑图１－２分布式结构逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑其他结构如反射式结构，通过耦合器将光纤远端的光反射至耦合器的另一侧，逡逑同样可使用ＣＣＤ作为探测设备。在实际使用过程中要综合考量实际环境要求，选逡逑取合适的光斑检测结构，以达到最优的效果。逡逑１．２．２多模光纤光斑图样的应用逡逑光纤光斑图样由光纤传输模式决定，光纤状态改变导致模式耦合情况发生变逡逑化

针对不同受试者进行测试，准确度可达８９．９％［１３］；邋７月，该组使用基于贝叶斯逡逑推理的数据融合方法，设计了一种测量力的位置和大小的基于光斑图样的光纤触逡逑控传感器，如图１－３所示，传感器的灵敏度和精确度分别是０．５Ｎ－１和ｌｍｎ＾４］。逡逑，0邋ＭＭＦ逦ＰＣ逡逑．．．．．？＇－逡逑ｙＯ逦厂（Ｗ）逦．．．．．．逡逑逦逦Ｔ邋ｔｖ邋／逦Ｃ逡逑ＭＳ逦Ｌ￣＊ｕ逦ｃ邋—逡逑逦逦’邋［．）逡逑Ｓｅｎｓｏｒ逡逑图１－３光斑图样用于测量力的位置和大小［１４Ｉ逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ邋ｏｆ邋ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｍａｇｎｉｔｕｄｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｆｏｒｃｅ邋ｂｙ邋Ｓｐｅｃｋｌｅｇｒａｍｓ邋［ｌ４１逡逑同年８月，该组提出一种基于光斑图样的多点位移传感器，由ＣＣＤ检测输出逡逑散斑场，使用人工神经网络处理获得的数据，计算每次输入位移的大小，该方法逡逑可应用于小型传感器阵列监测，为基于时间和波长的多路复用方案提供了可靠的逡逑替代方案〃５］；邋２０１８年３月，该组提出一种适用于无创手势识别的低成本光纤力肌逡逑传感器，在大约２０Ｎ的动态范围内灵敏度可达Ｏ．ＯＳＮ－１，该方案可用来识别不同手逡逑部姿势，适用于人机交互界面的进一步应用［１６］。逡逑西班牙坎塔布里亚大学的Ｌｕｉｓ邋Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ－Ｃｏｂｏ和Ｍａｕｒｏ邋Ｌｏｍｅｒ等人的研宄主逡逑要基于塑料多模光纤光斑和差分处理方式。２０１２年９月

射介质所产生的光斑开展二维图像的重建和成像工作。２０１５年，该组使用随波长逡逑改变而改变的光斑图样重建了二维图像，该系统对外部扰动不敏感，但速率较低逡逑［４２］；邋２０１６年２月，该组提出一种基于散斑图样的单像素相机，如图１－５所示，该逡逑成像系统无需机械扫描，对光纤弯曲不敏感，适用于微型内窥镜研制［４３］。逡逑逦邋ＯＬ邋０尸邋ＦｎＬ邋＼ｒ邋ＢＳ邋ＯＬ邋ＰＤ逡逑Ｔｕｎａｂｌｅ逦＾逦ｆ逦＠逡逑Ｔｉ０２－ｔｉｐｐｅｄ逦备逡逑ＳＭＦ逦Ｉ￣￣１ＮＤＦ逡逑ＩＲ逡逑逦逦１逦Ｃａｍｅｒａ邋￣ｓ—逡逑Ｃｏｍｐｕｔｅｒ邋—逦＿＿＿＿＿——￣——— 一＇．￣＾逡逑图１－５使用单模光纤光斑的压缩感知成像器［４３］逡逑Ｆｉｇ．邋１－５邋Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ邋ｓｅｎｓｉｎｇ邋ｉｍａｇｅｒ邋ｕｓｉｎｇ邋ａ邋ｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅ邋ｆｉｂｅｒ邋ｓｐｅｃｋｌｅｇｒａｍ［４３Ｊ逡逑６逡逑

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 井红旗;王翠鸾;吴霞;赵懿昊;王鑫;林楠;仲莉;刘素平;马骁宇;;半导体激光器光纤耦合输出光斑均匀性的研究[J];半导体光电;2015年06期

2 陈寒;邹淑珍;于海娟;林学春;;单模激光在多模光纤中的传输实验研究[J];激光与光电子学进展;2015年04期

相关博士学位论文 前1条

1 朱志武;短脉冲激光对可见光CCD及滤光片组件的损伤效应研究[D];国防科学技术大学;2013年

相关硕士学位论文 前6条

1 朱开强;基于多模光纤光斑检测的传感技术研究[D];北京交通大学;2017年

2 王旭;基于分数阶傅里叶相位谱的人脸识别研究[D];郑州大学;2017年

3 刘欢欢;基于多模光纤光斑检测的模式分析和光谱分析研究[D];北京交通大学;2017年

4 袁森林;基于纹理分析的羊绒羊毛鉴别[D];东华大学;2016年

5 李锦秀;基于压缩感知的信号重构算法研究[D];北京理工大学;2015年

6 彭石军;基于SMS光纤结构器件及其应用研究[D];哈尔滨工程大学;2012年

本文编号：2755895