基于Fabry-Perot可调谐光滤波器和掺铒光纤放大器的光纤传感技术研究

摘要

本文采用F-P可调谐光滤波器和掺铒光纤放大器构建光纤传感系统，并从理论、系统和实验三个方面对光纤传感技术进行深入研究。光纤传感系统具有开环和闭环两种结构，可分别实现应变、气体参量的准分布式、高灵敏度传感。
　　 理论分析了开环光纤传感系统中光栅光谱曲线和F-P可调谐光滤波器3-dB带宽之间的数学关系，从理论和实验两个方面研究了光滤波器的非线性特性并对其进行补偿；设计完成了系统的光学、机械、电路和数据处理部分，并对传感网络进行扩展；采用该系统进行应变传感实验，解调灵敏度优于3με，扫描频率达到60 Hz。
　　 分别采用速率方程和传输方程建立了基于闭环光纤传感系统的气体传感理论模型，分析了泵浦功率和系统损耗对气体传感灵敏度的影响；设计完成了系统的光学、机械和数据处理部分；采用波长扫描技术进行乙炔气体传感，灵敏度优于100 ppm，引入波长调制技术后乙炔气体传感的灵敏度提高至75 ppm，同时还可实现气体种类识别。
　　 工作中的主要创新点：
　　 1.基于多光束干涉理论建立了F-P可调谐光滤波器的系统模型，研究了光滤波器的非线性特性及其来源；提出了基于开环光纤传感系统的光滤波器非线性特性研究方法，利用波长-电压关系及其多项式拟合分析了光滤波器的非线性特性及波长随机误差；采用两种方法实现了光滤波器的非线性补偿。
　　 2.阐明了采用传输方程研究气体传感灵敏度的可行性；深入探讨了泵浦功率和系统损耗对气体传感灵敏度的影响，并从实验上进行验证；理论推导了光纤气体传感系统的检测极限。
　　 3.将波长扫描技术和波长调制技术引入光纤气体传感系统，提出了基于虚拟仪器技术的波长调制/二次谐波提取方案，极大的提高了气体传感灵敏度，同时实现了气体的种类识别。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号对照表

声明

第一章绪论

1.1 光纤传感技术概述

1.1.1 光纤传感系统

1.1.2 光纤传感器的分类

1.1.3 光纤传感技术的发展现状

1.1.4 F-P可调谐光滤波器与EDFA在光纤传感系统中的应用

1.2光纤光栅传感器与波长解调方法综述

1.2.1 光纤光栅传感器

1.2.2 非平衡Mach-Zehnder干涉仪法

1.2.3 边缘滤波器法

1.2.4 F-P可调谐光滤波器法

1.2.5 声-光可调谐滤波器法

1.2.6 可调谐激光器法

1.2.7 Fourier变换光谱法

1.2.8 CCD分光计法

1.2.9 各方法的比较

1.2.10 FBG传感网络的复用技术

1.2.11 国内光纤传感解调的研究现状

1.3气体传感原理及方法综述

1.3.1 气体传感及其分类

1.3.2 近红外吸收光谱法的原理

1.3.3 Fourier变换光谱法

1.3.4 差分吸收法

1.3.5 波长调制／二次谐波法

1.3.6 F-P腔法

1.3.7 AOTF法

1.3.8 衰荡腔法

1.3.9 有源内腔法

1.3.10各方法的比较

1.3.11 国内气体传感技术的研究现状

1.4本论文的主要工作和各章主要内容

第二章基于F-P可调谐光滤波器法解调的光纤传感系统

2.1基于F-P可调谐光滤波器法解调的光纤传感系统理论模型

2.2基于F-P可调谐光滤波器法解调的光纤传感系统设计

2.2.1 总体设计

2.2.2 EDFA光源

2.2.3 FBG传感器封装

2.2.4 电路设计

2.2.5 基于虚拟仪器技术的数据采集系统

2.2.6 太阳能供电的可行性研究

2.2.7 波长解调算法研究

2.3 WDM、TDM及SDM技术在光纤传感系统中的应用

2.3.1 基于光开关级联阵列的准分布式光纤传感系统

2.3.2 光开关性能测试

2.3.3 系统容限分析

本章小结

第三章F-P可调谐光滤波器的特性研究及应变传感实验

3.1基于多光束干涉的F-P可调谐光滤波器理论模型

3.1.1 平行平板的多光束干涉

3.1.2 多光束干涉滤波器

3.1.3 F-P可调谐光滤波器的非线性

3.2基于可调谐激光器的F-P可调谐光滤波器特性研究

3.2.1 特性实验系统

3.2.2 非线性特性研究及补偿

3.2.3 蠕变特性研究

3.3基于FBG光纤传感系统的F-P可调谐光滤波器非线性研究

3.4应变传感实验

3.5 光纤传感系统的性能指标

本章小结

第四章基于光纤环腔激光器的气体传感原理

4.1 光纤环腔激光器与掺铒光纤能级理论

4.1.1 光纤激光器

4.1.2 光纤环腔激光器

4.1.3 掺铒光纤能级理论

4.2基于速率方程的气体传感模型

4.2.1 光纤环腔激光器的理论模型

4.2.2 基于光纤环腔激光器的气体传感灵敏度分析

4.3基于传输方程的气体传感模型

4.3.1 光纤环腔激光器的理论模型

4.3.2 光纤环腔激光器的输出特性研究

4.3.3 基于光纤环腔激光器的气体传感灵敏度分析

本章小结

第五章基于光纤环腔激光器的气体传感系统设计与实验研究

5.1 基于光纤环腔激光器的气体传感系统设计

5.1.1 总体设计

5.1.2 EDFA特性研究

5.1.3 气室封装设计

5.1.4 浓度解调算法研究

5.2光纤环腔激光器输出特性实验

5.2.1 光纤环腔激光器输出激光光谱

5.2.2 激光模式建立时间

5.2.3 泵浦功率对输出激光的影响

5.2.4 系统损耗对输出激光的影响

5.2.5 输出激光特性比较

5.3气体传感灵敏度增强实验研究

5.4气体浓度传感实验

5.4.1 气体浓度传感重复性实验

5.4.2 气体浓度标定

5.4.3 气体浓度反演

5.4.4 光纤环腔激光器的波长调谐特性

本章小结

第六章波长调制技术在气体传感系统中的应用

6.1 基于波长调制技术的气体传感理论

6.2基于波长调制技术的气体传感系统实现及其优化

6.2.1 基于虚拟仪器技术的波长调制方案

6.2.2 系统参数对二次谐波信噪比的影响

6.3气体浓度传感实验

6.3.1 气体浓度传感重复性实验

6.3.2 气体浓度标定

6.3.3 气体浓度反演

6.3.4 气体的种类识别

6.4气体传感系统的性能指标

本章小结

第七章总结与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文和参加科研情况

致谢