特种光纤布拉格光栅对弯曲方向响应的研究

摘要

为了满足油气田勘探开发对地层结构更加精确化的要求，地震波矢量信息的采集越来越受到学者们的关注。光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）作为地震检波的常用传感器件之一，在矢量检测方面相对传统电类传感器具有更优异的传感性能。现有的FBG矢量传感器大都采用一根光栅检测一个方向，由多个光栅共同完成加速度矢量的测绘。然而随着勘探技术的进步，传感系统的集成化、微型化成为新时代的重要技术指标。最近几年，基于单根光纤的矢量传感器成为光纤传感领域中一个重要的研究方向。为此，本文主要进行了FBG矢量弯曲传感器的研究工作。论文研究成果如下： 研制了一种在细芯光纤上离轴刻写的FBG传感器。该传感器的布拉格峰短波方向出现了一系列的包层模式谐振峰。我们采用COMSOL5.0对这种离轴光栅结构进行了仿真模拟。矢量弯曲实验表明该型传感器对弯曲检测具有方向相关性。在光栅栅区偏移的方向，这些LP0n模式和LP1n模式的强度增强。在背离的方向，强度减小。LP1n模式的最高弯曲灵敏度达到正向1.93 dB/m?1以及负向-1.95 dB/m?1，LP0n模式的最高弯曲灵敏度达到正向1.65 dB/m?1以及负向-1.33 dB/m?1。满足了地震波矢量检测的要求。 借助离轴刻写技术对光纤波导结构的非圆对称性修饰以及迈克尔逊干涉结构较高的弯曲灵敏度，我们制作了一种基于离轴FBG与MI干涉结构的二维矢量弯曲传感器。该型并联结构的1566.535nm处包层模式波谷能量显著变化，且波长均短波方向漂移。随着曲率增加，在0o方位角附近波谷能量减小，最大弯曲灵敏度达到5.5dB/m-1，其他方位角上波谷能量增加，弯曲灵敏度在-1.5dB/m-1左右，180o方位角上弯曲灵敏度为-1.31 dB/m-1。达到了对弯曲曲率和弯曲方向同时测量的技术性能。 同时制作了一种在七芯光纤上刻写的少模 FBG矢量弯曲传感器。其 LP11模式谐振峰同样表现出了对弯曲检测的方向相关性。大部分方位角上LP11模式谐振峰能量出现先下降再上升的变化过程。在1.448 m-1-1.454m-1曲率范围内，0o和180o方位角上LP11模式能量回升，其弯曲灵敏度最高，分别达到了1440±95dB/m-1和1347±90dB/m-1。90o和-90o方位角上，LP11模式能量持续减小，其弯曲灵敏度分别达到-253±7dB/m-1和-216±13dB/m-1。凭借以上特性，该传感器可以实现对地震波矢量的高灵敏度检测。

目录

声明

第一章 绪论

1.1光纤光栅传感简介

1.2光纤光栅的应用

1.3光纤光栅的分类

1.4光纤光栅矢量传感的研究现状

1.5论文的研究背景和意义

1.6论文主要开展的工作

第二章 光纤光栅的理论基础

2.1光纤光栅耦合模式理论

2.2光纤光栅写入方法

第三章 基于离轴TC-FBG的二维矢量弯曲传感器

3.1离轴刻栅技术

3.2离轴光栅光谱特性

3.3矢量弯曲特性

3.4对拉力和温度交叉干扰因素的测量

3.5本章小结

第四章 基于离轴FBG与MI并联结构的二维矢量弯曲传感器

4.1并联结构的制作

4.2并联结构的光谱特性

4.3并联结构的矢量弯曲测量

4.4温度干扰的测量

4.5本章小结

第五章 基于LP11模式的二维矢量弯曲传感器

5.1少模光纤FBG结构的制作

5.2少模光纤FBG结构的光谱特性

5.3矢量弯曲特性

5.4对拉力和温度干扰因素的测量

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文工作总结

6.2存在的问题和下一步工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间参加科研情况及获得的学术成果