正交双频光纤激光传感器的空间灵敏度研究

摘要

正交双频光纤激光传感器通过将外界扰动转化为拍频频率漂移，能够实现对微弱信号的测量。由于其灵敏度高、噪声水平低、体积小、抗干扰能力强等优点，在国防反潜、资源勘探、生物医疗等领域有着广阔的应用前景。在以往的研究工作中，本课题组对正交双频光纤激光传感器的制备方法、噪声特性、换能器设计及复用技术等方面进行了全面的研究。由于其谐振特性，这种传感器的敏感特性直接决定于腔内光强分布。其结果是，相同载荷施加在激光腔不同位置上时，引起的光学响应不同。为了进一步挖掘潜力，提升传感器的探测能力，有必要对其空间灵敏度特性进行深入研究。本文提出了一种载荷扫描法，对正交双频光纤激光传感器的空间灵敏度进行了全面表征；研究了激光器各个参数对灵敏度的影响机理，为传感器的灵敏度提升提供了指导；基于这一增敏手段并利用波纹膜片换能装置，实现了正交双频光纤激光水听器灵敏度的有效提升。本文围绕双频光纤激光器的空间灵敏度开展了以下工作，并取得相应成果：
　　第一、对空间灵敏度特性进行了理论研究。由谐振条件出发，揭示了正交双频光纤激光传感器的空间灵敏度与腔内归一化光强分布之间依赖关系。研究结果表明，空间灵敏度形态决定于光栅反射率、光栅间距和光纤增益等参数。
　　第二、采用载荷扫描法对空间灵敏度进行了全面表征，获得了不同载荷方向、不同有效腔长的传感器空间灵敏度分布曲线。分别从光纤优化选择、光栅写制参数、尺寸参数等各因素入手研究如何提升灵敏度。我们发现，通过提升光栅反射率、缩短腔长到1mm左右等措施，可获得51.1 MHz/g（或5.192GHz/N）的载荷灵敏度，相应的质量分辨率达到9.78×10-5克。该研究结果为如何设计并优化换能结构，提升正交双频光纤激光传感器的探测能力提供了有益指导。
　　第三、以正交双频光纤激光器为敏感基元，结合波纹膜片换能器，构建了光纤激光水听器，对从100Hz到2000Hz范围内的声波信号进行探测。对于频率为1kHz的声波，有效腔长为6mm的激光器平均灵敏度约为60kHz/Pa，而有效腔长为3mm的激光器能实现110kHz/Pa的灵敏度。实验结果表明，通过缩短激光腔长能够有效提升灵敏度。

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1 绪论

1.1光纤激光和光纤传感技术

1.2光纤激光传感器的研究现状

1.3双频光纤激光器空间灵敏度的传统表征方法

1.4论文背景意义及主要研究内容

2 理论研究

2.1正交双频光纤激光器工作原理

2.2光纤激光传感器灵敏度理论分析

2.3本章小结

3 实验表征

3.1空间灵敏度实验系统搭建

3.2双频光纤激光传感器轴向灵敏度分布

3.3轴向灵敏度分布模式的影响因素

3.4双频光纤激光传感器三维空间灵敏度分布

3.5本章小结

4 应用研究——水听器增敏

4.1空间灵敏度对换能器的设计指导

4.2水听器换能装置机理

4.3增敏结果及分析

4.4本章小结

5 总结与展望

参考文献

研究生期间参与发表学术论文情况

致谢