基于单臂频移干涉的光纤光栅高空间分辨率复用技术研究

摘要

光纤光栅传感器相比电子传感器具有不受电磁干扰、制造成本低、灵敏度和可靠性高等特性，同时由于其出色的复用组网能力，在光纤传感的分布式测量中发挥了重要作用，因此研究光纤光栅传感器的复用技术已显得极为重要。然而传统光纤光栅的复用技术包括波分复用、时分复用、空分复用以及光频域反射复用技术等存在成本高、空间分辨率低等问题。本文研究了基于单臂频移干涉的光纤光栅复用技术，它是一种简单、紧凑、实用且多功能的光纤传感技术，与传统技术相比具有许多优点：不需要脉冲光源和快速探测器、允许反射谱重叠、解调速度快、不需要参考信号等。本论文的主要研究内容如下： （1）介绍了单臂频移干涉技术的基本原理。推导了单臂频移干涉系统复用光纤光栅的干涉信号的表达式。分析与讨论了单臂频移干涉系统的性能参数。推导了系统空间分辨率δL和传感范围Lmax的计算公式，并分类讨论了系统串扰。 （2）搭建了单臂频移干涉系统，并测量了3个强光栅的位置信息。通过将电光调制器（EOM）的调制深度α和直流偏压工作点调节到合适的值，可以获得来自于一阶边带信号发生干涉的最大光强。在光栅的反射谱重叠的情况下，仍然实现了空间分辨率为0.1m的3个强光栅的串联和混联复用。 （3）通过改进EOM结构获得一种新的单臂频移干涉系统，并进行了弱光栅阵列的复用。由于传统EOM内部的射频波与光波的传播速度不匹配造成EOM的调制效率不高，导致光栅的复用个数受限，且复用系统的空间分辨率很难进一步提高。通过移除EOM的终端阻抗使EOM内部有一个射频信号的强反射，这种方法大幅提高了EOM的正向和反向调制效率，干涉信号强度显著增强了大约10dB。基于EOM调制效率的提高，设置射频频率的扫描范围为2-8GHz，实现了空间分辨率为几厘米、传感范围超过1km的15个弱光栅的复用，并且单臂频移干涉系统首次通过可调谐滤波器构建了15个弱光栅的反射谱。 本文采用了基于单臂频移干涉的方法复用了光纤光栅传感器。通过理论分析、实验验证和对实验结果的数据分析验证了单臂频移干涉系统高空间分辨率复用光纤光栅的可行性。该技术在光纤传感的分布式测量中具有重要的研究价值和潜在的应用前景。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 光纤光栅传感器复用技术的国内外研究现状

1.2.1 波分复用技术

1.2.2 时分复用技术

1.2.3 空分复用技术

1.2.4 光频域反射复用技术

1.3 频移干涉技术研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 单臂频移干涉技术的基本原理

2.1 单臂频移干涉系统复用光纤光栅的原理

2.2 单臂频移干涉系统的性能参数

2.2.1 空间分辨率

2.2.2 传感范围

2.2.3 系统串扰

2.3 单臂频移干涉技术的特点

2.4 本章小结

第3章 单臂频移干涉系统的验证实验研究

3.1 实验装置和两种复用方式

3.2 EOM的工作点

3.2.1 EOM的频率响应特性

3.2.2 EOM的调制深度?和直流偏压工作点?

3.3 系统搭建与实验结果分析

3.3.1 实验系统搭建与系统同步测试

3.3.2 两种复用方式的实验结果与分析

3.4 本章小结

第4章 单臂频移干涉系统复用弱光栅阵列的实验研究

4.1 EOM调制效率的提高

4.1.1 传统EOM的调制理论

4.1.2 EOM结构改进的方法

4.1.3 EOM改进前后的调制效率对比

4.2 实验过程与结果分析

4.2.1 改进EOM后的干涉信号强度

4.2.2 实验系统的搭建

4.2.3 系统复用弱光栅阵列的结果与分析

4.3 基于可调谐滤波器的单臂频移干涉系统解调弱光栅阵列

4.3.1 基本理论

4.3.2 实验参数和解调结果分析

4.4 本章小结

第5章 总结和展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文和参与的项目

发表的论文

参与的项目

附录

附录A 快速傅里叶变换（FFT）的Matlab程序