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关键词： 光纤传感网络   温湿度监测   高速公路   信息化   路面管理  

摘要： 文章旨在探讨光纤传感网络在高速公路温湿度监测中的应用，通过采集、处理和分析数据来实时监控路面状况，并对潜在风险进行预警。研究采用实证分析方法，结合具体案例，评估了光纤传感技术在提高道路安全性、延长路面使用寿命和提升服务质量方面的效果。结果显示，光纤传感网络能够有效实现对高速公路温湿度的实时监测，并及时发出预警，充分体现了光纤传感网络在高速公路信息化建设中的应用价值，可为相关领域提供重要参考和借鉴。

关键词： 高功率单模半导体激光器   脊波导   光栅   发散角   光谱特性  

摘要： 单模半导体激光器具有体积小、重量轻并具有良好的动态特性等优点,被广泛应用于光通信系统、医疗等领域。但是随着信息技术的发展以及应用端的需求,对半导体激光器的性能和成本提出了更高的要求。特别是针对下一代50G PON光网络中的接入网,要求O波段半导体激光器能够实现高功率单纵模输出;针对医疗中所需的半导体激光光源和固体激光器所需的泵浦光源,要求激光器有较好的光束质量。而目前O波段的单纵模半导体激光器主要是分布反馈(Distributed Feedback,DFB)半导体激光器,其制备亚微米级光栅需要二次外延和电子束曝光技术,无论是成本还是制备难度上都比较高,不利于大批量生产;并且功率和光谱质量也有待提高。因此,本文基于表面光栅结构理论对低成本、高性能的单模半导体激光器展开研究,制备了基于表面光栅结构的单模高功率半导体激光器以及侧向模式调控的台阶波导半导体激光器,实现了在低成本和工艺难度的情况下,也能获得高的单模输出功率和好的光束质量。同时,针对高功率半导体激光器通过低成本透镜准直后光谱恶化现象,提出并验证了通过优化腔面镀膜的方法从芯片层次优化光谱特性的方案。 本论文的主要工作内容及研究成果如下: (1)提出并制备了基于微米级高阶表面光栅的单模半导体激光器。首先模拟设计了单模半导体激光器的外延结构。然后,模拟设计了基于高阶表面光栅的单模半导体激光器结构;通过理论建模仿真分析了脊波导结构和激光器侧向模式的关系;利用散射矩阵的数值方法对高阶表面光栅进行了仿真设计,分析了光栅参数对选模特性的影响,从而得到最优的基于微米级表面光栅的单模半导体激光器参数。相比周期为5.07 μm和9.53 μm下的光栅结构,8.43 μm周期下的损耗谱在最小值处,这对激光器的单模性具有更好的影响,单模功率更高。最后,采用普通光电子工艺,通过多次工艺迭代,制备出基于高阶表面光栅的单模高功率半导体激光器。该器件在25℃和0.36 A的连续泵浦电流下,单模输出光功率为78.19 mW,中心波长为1312.04 nm,3 dB光谱线宽0.12 nm。相比于国内外报道的1310 nm半导体激光器,输出光功率处于先进水平,同时也不需要二次外延和电子束曝光技术,降低了制备难度,具有低成本潜力。 (2)提出并制备了一种侧向模式调控的单模半导体激光器。传统的基于脊波导结构的单模半导体激光器往往需要采用窄的脊波导宽度来获得良好的侧向模式,但限制了单模半导体激光器光束质量和输出光功率的提升。针对此问题,我们提出了基于台阶波导的侧向模式调控单模半导体激光器,该台阶波导半导体激光器可以将高阶侧模耦合到台阶波导区域,在拓宽脊波导的同时保证单侧模激射,降低水平发散角,提高了光束质量。采用普通光电子工艺研制出台阶波导半导体激光器,包括台阶波导FP半导体激光器和台阶波导表面光栅单模半导体激光器。研制的台阶波导FP激光器在脊波导宽度为5μm时,获得17.82°的水平发散角的同时提高了基侧模的输出功率;研制的台阶波导表面光栅的单模半导体激光器在室温360 mA连续电流下,单模输出功率达29.2 mW,中心波长为1317.57 nm,边模抑制比为20.11 dB,线宽为0.091 nm,侧向发散角低至4.92°。 (3)提出通过优化腔面镀膜的方法,理论和实验上提高了单模高功率半导体激光器的光谱特性。针对利用柱透镜对高功率激光器进行准直光束后出现光谱劣化的现象,从理论和实验上分析了大功率半导体激光器光谱劣化的原因,建立了一种基于传输矩阵的三面镜模型来模拟谐振腔和镀膜后的腔面反射镜构成的体系,找到了最优的镀膜参数。理论模拟和实验结果都表明,将镀膜反射率从0.88%调整到15%附近时,可以有效削弱柱透镜存在的反射光对谐振腔内谐振模式的影响,光谱的劣化现象明显被消除,提高了高功率半导体激光器的光谱特性。通过镀膜优化光谱特性的半导体激光器避免了使用复杂的光束整形系统,提高光束质量的同时降低了器件的制备成本。

关键词： 动态危险区域   入侵检测   标准卷积   双目视觉   智慧工厂  

摘要： 桥式起重机作为汽车、航空等制造业中必不可缺的生产工具,是集装载、运输为一体,具有较高使用价值的零部件及生产材料运输设备。但由于制造业生产车间作业环境较为复杂,尤其在类似机器人自动化焊接车间等特殊作业环境下,存在作业温度高、粉尘颗粒多、焊接电弧光强烈等问题,桥式起重机工作人员极易受其影响做出不当操作行为,甚至可能会发生吊装重物脱落或吊装物撞人等事故。所以,对桥式起重机吊装作业时所产生的动态危险区域进行人员入侵检测并及时报警,对避免车间发生安全事故具有十分重要的意义。 目前,用于危险区域人员入侵检测的方法难以较好地适用于复杂环境下(类似起重机吊装作业)对动态危险区域人员入侵检测的任务。本文针对桥式起重机吊装作业时所产生的动态危险区域难识别、位置信息难确定的问题,以及车间桥式起重机吊装危险区域入侵检测环境较为复杂,特殊的相机视角所获取到的人员目标特征信息不明显导致的漏检误检和标准目标检测模型难以在实际工程项目中部署应用等问题开展工作,并开发一种桥式起重机吊装危险区域人员入侵检测系统。其主要研究内容如下: (1)危险区域入侵检测领域现有研究主要围绕静态危险区域开展工作,关于动态危险区域人员入侵检测研究成果较少。本文针对桥式起重机吊装等工程作业所产生的动态危险区域难识别、位置信息难确定等问题,提出了一种基于双目视觉的桥式起重机吊装危险区域检测方法,该方法主要利用双目视觉技术完成桥式起重机吊装货物提升判断及桥式起重机吊装危险区域精准检测两项研究工作。首先通过双目相机获取吊装物体的深度图,并确定吊装物体的深度值,利用设置的深度阈值判断吊装物体是否提升;再对获取到的吊装物体深度图进行处理,确定吊装物体的轮廓信息,从而高效精准的检测桥式起重机吊装危险区域,获取不断变化的动态危险区域位置信息,为后续桥式起重机吊装危险区域人员入侵检测工作提供基础信息。该方法仅利用双目相机单一设备不仅实现了对桥式起重机吊装货物进行提升判断的任务,而且完成了对桥式起重机吊装货物时所产生的动态危险区域进行精准检测的任务,有效地降低了项目部署及应用难度,其硬件及人力成本相较于传统方法节约近80%。该方法实现了对动态危险区域的精准检测,实时获取危险区域位置信息,为动态危险区域的划分及获取位置信息提供了新思路。 (2)传统动态危险区域人员入侵检测多依赖于人工巡检,存在检测效率低、误差大等问题。同时桥式起重机吊装危险区域人员入侵检测项目应用于工厂生产车间,其检测环境较为复杂,拍摄相机需安装在桥式起重机吊具上方的小车横梁上,相机特殊的视角和高度导致获取到的图像中无效背景增多、行人目标特征信息变弱,若直接将标准目标检测模型应用到本文实际研究项目中,容易出现检测精度低、检测实时性差等问题。本文针对上述问题,提出一种基于改进的YOLOv5危险区域人员入侵检测方法,该方法以YOLOv5作为基础网络,将卷积空间注意力机制模块与原始网络中的C3特征提取模块进行融合,利用卷积注意力机制充分突出重要特征信息的能力及对不同空间位置特征信息的捕获能力,增强网络模型对不同通道的特征表达能力和不同空间位置的信息提取能力,降低了标准模型对特殊视角下桥式起重机吊装危险区域人员入侵检测的误检漏检情况。同时,采用提出的PDConv卷积模块替换标准卷积,将部分输入特征以计算成本较低的线性运算方式进行处理并输出相似特征图,设计各分支特征信息融合模块,解决通道间关键特征信息丢失问题,并与C3特征提取模块结合,在保证模型整体检测精度的同时适当降低模型的参数量,使检测模型更易部署于工业边缘计算平台中,提高了模型的检测效率。与其他方法相比,本文所提出的入侵检测模型具备更为优秀的动态危险区域人员入侵实时检测能力,满足实际工业检测项目需求。 (3)针对生产车间危险区域入侵检测人工巡检成本高的问题及如何将提出的桥式起重机吊装动态危险区域人员入侵检测方法应用到实际工程项目中的问题,本文基于Visual Studio Code平台设计并开发了桥式起重机吊装危险区域人员入侵检测系统。该系统实现了对桥式起重机吊装危险区域人员入侵实时检测、桥式起重机吊装危险区域人员入侵历史信息记录、桥式起重机吊装工作状态呈现、桥式起重机吊装货物次数统计及桥式起重机吊装危险区域人员入侵实时振动报警等功能。该系统满足灵活获取桥式起重机吊装危险区域位置信息及对危险区域人员入侵进行实时检测,并及时报警等任务需求,提高了车间桥式起重机吊装危险区域人员入侵检测效率。其交互平台中的人员入侵历史记录数据为车间安全部门提供了强有力的管理依据,为企业车间智能化安全生产改造提供了优秀的技术支持。 在相同条件下,本文设计的人员入侵检测网络在自制的车间危险区域入侵检测数据集上的精度和参数量分别为89.6%和6.57M,其检测精度相较于基础网络增长8.6个百分点。为验证本

关键词： 光纤位移传感器   桥梁基坑   沉降监测  

摘要： 文中以某大型桥梁深基坑工程为例，利用光纤位移传感器对基坑施工过程中冠梁和行车道的水平位移、地表沉降、锚索轴力、地下水位等进行动态监测和分析，以研究深基坑的开挖变形规律。结果表明，随着基坑的开挖，基坑的冠梁和行车道向基坑方向倾斜，最终趋于稳定，且随着开挖深度的增加，第一层的预应力锚杆轴向力随深度的增加而增加。两个开挖面的地下水有不同的发展规律，但均在短期之内逐渐趋于平稳。基坑各个部位的累积沉降均处于控制之中，但由于其北部和邻近一栋建筑的地面沉陷还没有得到控制，因此，需对该地区进行进一步的沉降监控。