研究基于微波解调的光纤珐珀微腔传感器系统的研究

摘要

光纤珐珀微腔传感器作为一种典型的、性能优异的点式光纤传感器，能够对应变、压力、折射率等多种参量准确地感知测量。但是，由于光纤珐珀传感器的反射光谱范围较宽，难以依靠波分复用技术来实现大容量复用，因此针对光纤珐珀微腔传感器的大容量复用技术成为一个有待解决的难题。围绕以上难题，本课题依据微波载光干涉的基础理论，提出了一套微波光子传感测量系统，成功解调了光纤传感器并实现了对大容量光纤珐珀微腔传感器的复用，具体工作概要如下： （1）常规的全光纤珐珀微腔传感器其珐珀腔长度与标具灵敏度一致，使得传感器的波长灵敏度基本为恒定值。为突破常规全光纤珐珀传感器的灵敏度限制，本研究实现了一种长标具、短腔长的增敏型光纤珐珀传感器，相较于常规全光纤珐珀传感器更易于生产、一致性更好且灵敏度更高。 （2）为较好地解调光纤传感器，并利用高空间分辨率的方法实现对光纤传感器的大容量复用，根据微波和光波的传输、干涉基础理论开始考虑，逐步建立微波调制光波进行传感解调的概念，并将解调原理与数值仿真相结合充分阐明方案的可行性。依据所提的概念，选择和说明了系统中各个关键元器件及设备，搭建了一套信噪比为120 dB、空间分辨率在厘米量级的微波光子传感测量系统。该系统相较于传统解调方法拥有许多突出特性，包括高信号质量、对光波导类型的低依赖性以及对光偏振变化的不敏感。 （3）依据微波光子传感测量系统的优势，对两种典型的光纤珐珀微腔传感器展开解调和复用性能测试。对于非本征型光纤珐珀传感器而言，灵敏度高便于制作，采取并行复用的解调方法可同时完成多参量传感测量。对于本征型光纤珐珀传感器而言，灵敏度较低，传统解调仪无法对其进行解调。而微波光子测量系统能够较好地解调本征型光纤珐珀微腔传感器，并以级联13个本征型弱反光纤珐珀传感器为例，说明该系统还能实现大容量的串联传感复用。不仅能够快速、同步、准确地定位传感器位置，而且能从数量众多的传感器网络中实时解调出所需的信息。不论是针对温度参量还是应变参量，该种新方法都显示出了较好的对光纤珐珀传感器的复用能力。

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