光纤光栅自致啁啾效应及其成栅机理研究

Large uses of composite materials in aircraft components help integrate, lighten, complicate and rationalize the structure to meet aerodynamical requests. For advanced composite material structures, it is difficult to decouple the damage strain signals of single wavelength coding fiber grating sensors at a centimeter-level resolution. Self-induced chirped fiber grating sensors will be formed with SMA which has smooth and random deformation. As a result, the reflection spectrum wavelength can correspond with the position of the sensors and the resolution will be greatly improved compared to traditional sensors. This application will invent an innovative sensor and reveal the principle of chirped effect and coupling mechanics of light wave during bending deformation of the fiber gratings. Also, the compressed sensing reconstruction algorithm will be used and by building up the spectrum sparse dictionary, both high frequency scam and high resolution in spectrum monitoring can be achieved. This application has great value in both theory and application of the study of chirped grating sensor and lays foundation for the further application of chirp grating sensors in aircraft composite material structures.

飞行器结构件大量的使用复合材料使结构趋向与一体化、轻量化、复杂化、合理化，进而符合空气动力学的要求。而先进复合材料的结构，对用于损伤监测的空间分辨率仅为厘米级的单一波长编码的光纤光栅传感器，其损伤应变信号的解耦任务将难于胜任完成。提出利用形状记忆合金变形的柔顺性和任意性的特点，通过形状记忆效应以辅助光纤光栅成型，使之形成反射光谱波长与传感器的空间位置一一对应，空间分辨率相对于传统的传感器具有显著提升的光纤光栅自致啁啾光栅传感器。本申请将发明这种新型传感器并从细观角度揭示光纤光栅弯曲变形过程中光波的耦合机制和啁啾效应产生的机理；同时，提出利用压缩感知重构算法，通过构建光谱稀疏字典重构高精度啁啾化光栅的光谱以求为解决现有光谱监测普遍存在的扫描频率与图像分辨率难以兼顾的问题。本申请对于啁啾光栅传感机理研究具有重要的理论与应用价值，为进一步拓展光纤光栅传感器在飞行器复合材料结构中的应用打下基础。

针对先进复合材料的结构高精度损伤监测需求，提出利用形状记忆合金变形的柔顺性和任意性的特点，设计和实现了光栅自致啁啾光栅。从细观角度揭示光纤光栅弯曲变x形过程中光波的耦合机制和啁啾效应产生的机理，获得了栅区的折射率与光栅有效周期的分布规律，分析了拉伸和压缩对啁啾光栅的影响。建立了大曲率曲杆模型，利用光弹理论，结合耦合模理论推导传感器的折射率、栅格周期与应变之间的关系，研究了啁啾光栅光谱的中心波长、带宽以及光强与拉伸位移之间的关系。设计和制作了三种形式的非线性啁啾光栅，分别是基于形状记忆合金的两端固定压杆调谐下的宽带啁啾光纤光栅、基于正弦形Al的啁啾光纤光栅以及S型形状记忆合金驱动的FBG啁啾光栅。重点研究了SMA辅助驱动光纤光栅柔顺弯曲变形过程，利用了SMA的形状记忆效应实现了啁啾光栅与均匀光栅之间的相互转化。同时，提出利用压缩感知重构算法，通过构建光谱稀疏字典完成了低采样率条件下的高分辨率啁啾光栅光谱重构。本项目对于啁啾光栅传感机理研究具有重要的理论与应用价值，为进一步拓展光纤光栅传感器在飞行器复合材料结构中的应用打下基础。