基于FFP-TF的光纤光栅传感解调技术研究

摘要

光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，简称FBG）传感器，在许多领域都有着广阔的应用前景，已经成为现代传感领域的一个重要的研究方向。信号解调是传感测试系统的关键，解调系统性能的优劣直接决定了传感测试系统的实用性能和设计水平。FBG传感器是通过外界参量对其布拉格中心波长的调制来获取传感信息，是一种典型的波长调制型的光纤传感器，如何准确探测FBG传感器的波长移动从而有效地对待测信号进行解调，是光纤光栅传感测试系统工程实用化的关键技术问题。
　　人们提出了多种方案来提高传感信号解调的效率和精度，但到目前为止，还没有一种解调方法能同时满足测量范围大、分辨率高、准分布式多点测量且成本低廉的实用化要求。为进一步推进光纤光栅传感技术在工程中的应用，本文对现有的多种光纤光栅解调技术进行了分类和详细的分析比较，在可调谐光纤F-P滤波器(FFP-TF)法的基础上进行改进和优化，设计了一套可满足实际工程需求的光纤光栅传感解调系统。
　　本文首先研究了FBG的结构、原理和传感特性，在可调谐F-P滤波器法的基础上，设计了基于FFP-TF的光纤光栅传感解调技术方案，对FFP-TF由迟滞效应和温度特性引起的非线性误差进行了分析，设计了由热稳定性F-P标准具和参考光栅串联组成的参考通道，分析了F-P标准具透射谱峰值波长的计算方法，进而实现了对FFP-TF非线性的实时校准。
　　通过寻峰算法对FBG反射谱进行准确的峰值提取对于提高传感系统的波长分辨率和检测精度至关重要。常用寻峰算法有多种，而现有寻峰算法间的性能比较没有充分考虑阈值条件的优化。本文针对FBG反射谱的特点，研究了强度阈值对五种典型寻峰算法的影响，对各算法分别进行了阈值优化，发现各寻峰算法与强度阈值关系不尽相同，阈值优化可有效减小各算法寻峰误差。然后从寻峰误差和运行效率两个方面，对不同采样间隔条件下寻峰算法进行了深入地比较分析，研究表明，除质心探测法外，增大采样间隔并不能显著提高各算法的运行效率;在分别进行阈值优化的条件下，高斯拟合法寻峰误差最小且最为稳定，适用于静态信号和低频动态信号的解调;质心探测法运行速度最快且误差相对较小，可用于中高频动态信号的解调。
　　本文组建了光纤光栅传感解调系统，对系统主要组成元件的性能进行了分析，并在实验室环境下进行了稳定性、重复性和振动测试实验，验证了解调系统的实际性能。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的背景和意义

1．2 光纤光栅传感技术概述

1．2．1 光纤光栅传感技术发展概况

1．2．2 光纤光栅低频振动传感技术

1．3 光纤光栅传感解调技术概述

1．3．1 光纤光栅传感解调技术分类及研究现状

1．3．2 光纤光栅传感解调技术特性比较分析

1．4 本文研究内容及创新点

1．4．1 课题研究目标

1．4．2 课题主要研究内容

1．4．3 课题研究的创新点

第2章 光纤光栅传感理论

2．1 光纤布拉格光栅理论模型

2．2 光纤光栅耦合模理论

2．3 光纤布拉格光栅结构及原理

2．4 光纤布拉格光栅传感特性研究

第3章 基于FFP-TF的光纤光栅传感解调技术设计

3．1 引言

3．2 解调方案总体设计

3．3 可调谐F-P滤波器的基本原理及性能指标

3．3．1 可调谐F-P滤波器的基本原理

3．3．2 可调谐F-P滤波器的性能指标

3．4 基于FFP-FP的系统波长解调原理

3．5 小结

第4章 解调系统关键技术研究

4．1 引言

4．2 FFP-TF非线性实时校准

4．2．1 FFP-TF非线性分析

4．2．2 FFP-TF非线性实时校准原理及实现

4．3 传感信号光谱重建与峰值提取

4．3．1 典型拟合算法

4．3．2 寻峰算法的优化及比较

4．3．3 寻峰算法的选取

4．4 小结

第5章 光栅解调系统测试实验与性能分析

5．1 引言

5．2 光栅解调系统组成及其测试实验

5．2．1 系统主要组成元件

5．2．2 解调系统测试实验

5．3 解调系统性能分析

5．4 小结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 研究展望

参考文献

作者简介