基于游标效应和光程差放大的光纤传感增敏机理研究

摘要

随着光纤器件工艺的日臻完善，信号处理技术的迅猛发展，光纤传感技术逐渐在多个应用场合崭露头角，并且有替代传统传感技术的趋势。相比传统传感技术，光纤传感技术具有无源、抗电磁干扰、寿命长、更易于组网通信等独特优点，然而在有些特殊应用场合，传统光纤传感技术仍存在有待克服的缺点。例如地震波探测、自然灾害前兆观测和光纤水听器等领域，传统光纤传感技术分辨率不够高，然而要达到高的分辨率，提高光纤传感系统的灵敏度是关键。因此，研究新型光纤传感增敏机理具有重要的意义。
　　全文内容围绕高灵敏度传感，系统研究了基于光学游标效应的光纤传感增敏机理和光程差放大光纤传感增敏机理，并进行声波传感实验和应变传感实验验证。具体主要工作内容和研究成果如下：
　　(1)研究了基于光学频率梳游标效应的光学传感增敏机理。对其增敏原理进行了理论分析，通过模拟仿真不同类型、不同光程差比例的光学干涉仪组合时的输出光谱，提出基于游标效应光学传感增敏机理的产生条件，为传感方案提供理论基础。
　　(2)基于光学频率梳游标效应，提出高灵敏度布拉格光纤光栅-法布里泊罗腔(FBG-FP)解调复用方案，通过马赫泽德干涉仪(MZI)与FBG-FP之间的光学游标效应，实现FBG-FP传感相位灵敏度的倍增。理论分析和模拟仿真了FBG-FP传感头、光程差比例和滤波器对输出干涉条纹对比度的影响，以及不同传感单元之间的串扰，进而为系统参数设计优化提供依据。制作膜片式光纤声传感器，通过声波实验对增敏原理进行了验证。针对背景光对条纹对比度的影响，提出了改进方案消除背景光。
　　(3)搭建了基于光学频率梳游标效应的光纤应变传感器，提出了“功分复用”的方法。这种传感器由锁模光纤激光器与无源光纤环的级联组成，锁模光纤激光器用来产生高精细度光学频率梳，输入到传感环中产生游标光谱，通过双峰解调的方式对输出游标光谱进行解调，可实现高灵敏度的无源光纤环应变测量。实验结果显示，在0με到10με范围内可获得高于40 pm/με的应变灵敏度。这种传感器与光纤环级联的光纤应变传感器相比，由于采用光纤激光器作为光源和参考环，可大大降低损耗。另外，光纤激光器输出多纵模的精细度很高，因此，输出游标光谱的精细度被大大提高。为了实现多个传感环的复用，引入“功分复用”方法，通过透射峰功率的大小区分不同传感环，进而实现多个传感环的同时解调。
　　(4)搭建了锁模光纤激光器拍频的应变传感器。相比传统的多纵模光纤激光器拍频传感器，由于锁模激光器能产生稳定的高阶次纵模拍频信号，因此可大大提高灵敏度，实验结果显示应变灵敏度高达0.45 kHz。
　　(5)研究了一种基于光程差(OPD)放大的光纤传感增敏机理，利用声光调制器(AOM)的光开关作用进行光脉冲的产生和选择，以实现光程差的倍增，提高传感灵敏度。实验结果显示了应变传感灵敏度与给定圈数之间良好的线性关系。在光谱可分辨的情况下光程差最多可放大7倍，传感环的应变灵敏度也相应提高7倍。通过对光路进行改进，可大大提高干涉条纹对比度。
　　(6)基于光脉冲产生和选择的方法，提出高精度FBG和单模多模单模结构(SMS)传感和复用方案，通过传感头对输入光多次调制，使输出光谱峰值3dB带宽更窄，最终峰值解调精度得以提高。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 光纤传感增敏机理研究意义

1.3 国内外研究现状

1.4 论文内容与结构

2 基于光学频率梳游标效应的光学传感增敏机理

2.1 引言

2.2 光学游标效应

2.3 基于光学游标效应的光学传感增敏机理的实现条件

2.4 传感信号解调方法

2.5 基于游标效应的增敏原理

2.6 传感增敏机理实验研究

2.7 主要创新点

2.8 本章小结

3 基于光学频率梳游标效应的高灵敏度FBG-FP解调复用方案

3.1 引言

3.2 研究背景

3.3 光路结构及工作原理

3.4 FBG-FP传感单元

3.5 改进方案

3.6 信号解调仿真

3.7 基于膜片式光纤声传感器的实验研究

3.8 主要创新点

3.9 本章小结

4 基于光学游标效应的光纤应变传感器

4.1 研究背景

4.2 锁模光纤激光器及其传感应用

4.3 基于光学频率梳游标效应的光纤应变传感实验研究

4.4 主要创新点

4.5 本章小结

5 基于光程差放大的光纤传感增敏机理实验研究

5.1 研究背景

5.2 设计思想

5.3 基于声光调制器脉冲选择的光程差放大传感增敏机理

5.4 传感增敏机理实验研究

5.5 基于声光调制器脉冲选择的高精度FBG、SMS解调技术

5.6 主要创新点

5.7 本章小结

6 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录2 攻读博士学位期间获批和申请专利