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啁啾光栅结合边缘线性滤波解调的FBG应变测量系统

一、1.引言

(1)随着科技的不断进步，光纤布拉格光栅（FBG）作为一种新型的传感器技术，因其独特的优点在应变、温度、压力等物理量的测量领域得到了广泛应用。FBG应变测量系统具有高精度、高稳定性、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，在航空航天、桥梁隧道、土木工程等领域具有极高的实用价值。然而，在实际应用中，FBG应变测量系统的信号处理与解调技术仍存在一定的挑战，如信号的信噪比低、频率分辨率不足等，这限制了FBG应变测量系统的性能。

(2)为了提高FBG应变测量系统的性能，研究者们不断探索新的信号处理方法。近年来，啁啾光栅作为一种新型的光纤光栅，因其独特的频谱特性在光通信和传感领域得到了广泛关注。啁啾光栅通过引入啁啾效应，可以有效地扩展光栅的带宽，提高系统的频率分辨率，从而在FBG应变测量系统中实现更精确的测量。同时，边缘线性滤波作为一种有效的信号处理技术，能够在降低计算复杂度的同时，有效提高信号的信噪比和分辨率。

(3)本文针对FBG应变测量系统中信号处理与解调的难题，提出了一种基于啁啾光栅结合边缘线性滤波解调的应变测量方法。该方法首先利用啁啾光栅对FBG传感器的信号进行调制，然后通过边缘线性滤波对调制后的信号进行解调，从而实现高精度、高分辨率的应变测量。通过实验验证，该方法在提高FBG应变测量系统性能方面具有显著效果，为FBG传感技术的进一步发展提供了新的思路和方向。

二、2.啁啾光栅介绍及特性

(1)啁啾光栅（ChirpedGrating，简称CG）是一种通过引入周期性的啁啾效应来扩展光栅带宽的光学元件。啁啾效应是指光栅周期随位置的变化而变化的现象，这种变化使得光栅的频率分布呈现出一定的非线性特征。啁啾光栅的带宽可以通过调节啁啾参数来精确控制，其理论带宽可以达到几十甚至上百GHz。在实际应用中，啁啾光栅的带宽通常在10GHz到100GHz之间。例如，一种商用啁啾光栅的带宽可以达到50GHz，其中心波长为1550nm，啁啾参数为0.1pm/nm。

(2)啁啾光栅的特性使其在光通信和传感领域具有广泛的应用前景。在光通信领域，啁啾光栅可以用于实现宽带光源、滤波器、光开关等功能。例如，利用啁啾光栅作为宽带光源，可以实现高达100Gbps的光传输速率。在传感领域，啁啾光栅可以用于测量温度、压力、应变等物理量。例如，将啁啾光栅与光纤布拉格光栅（FBG）结合，可以实现对温度和应变的同时测量。实验表明，啁啾光栅在应变测量中的应用具有高灵敏度、高稳定性和抗干扰能力强的特点。

(3)啁啾光栅的设计和制备是研究热点之一。目前，啁啾光栅的制备方法主要有离子束刻蚀、光刻技术、直接写入法等。其中，离子束刻蚀技术可以实现高精度、高重复性的啁啾光栅制备，但成本较高。光刻技术结合电子束光刻（EBL）可以实现更精细的啁啾结构，但需要复杂的掩模和较高的制造成本。直接写入法利用激光在光纤上直接写入啁啾结构，具有低成本、快速制备等优点。例如，采用直接写入法制备的啁啾光栅，其中心波长为1550nm，带宽为20GHz，啁啾参数为0.05pm/nm，适用于高速光通信和传感应用。

三、3.边缘线性滤波解调原理

(1)边缘线性滤波解调是一种基于边缘检测和线性滤波的信号处理方法，主要用于从复杂背景中提取有用信号。该方法首先通过边缘检测算法确定信号的边缘位置，然后对边缘附近的信号进行线性滤波，以平滑噪声并突出信号特征。在FBG应变测量系统中，边缘线性滤波解调可以有效地从FBG传感器的输出信号中提取出应变信息。

(2)边缘检测是边缘线性滤波解调的第一步，常用的边缘检测算法包括Sobel算子、Canny算子等。这些算法通过计算图像梯度的大小和方向来检测边缘。例如，Sobel算子通过计算像素点在水平和垂直方向上的梯度，然后取其模值来确定边缘位置。Canny算子则在此基础上增加了非极大值抑制和双阈值处理步骤，以减少边缘检测中的假边缘。

(3)在边缘检测之后，线性滤波被用来平滑信号并抑制噪声。常用的线性滤波器有均值滤波器、高斯滤波器和中值滤波器等。均值滤波器通过对像素邻域内的像素值求平均来平滑信号，适用于去除椒盐噪声。高斯滤波器则通过高斯函数的加权平均来平滑信号，适用于去除高斯噪声。中值滤波器通过对像素邻域内的像素值取中值来平滑信号，特别适用于去除椒盐噪声和脉冲噪声。通过这些滤波步骤，边缘线性滤波解调能够有效地从FBG传感器的输出信号中提取出精确的应变信息。

四、4.FBG应变测量系统设计

(1)FBG应变测量系统的设计主要包括传感元件的选择、信号调制与解调模块的设计以及数据采集与处理模块的搭建。首先，传感元件的选择至关重要，本系统采用了一种具有高灵敏度和宽动态范围的FBG作为应变传感器。该F