基于成像光谱法的光纤光栅传感解调技术研究

摘要

本论文是在国家科技部863项目和天津市科技重大攻关项目的支持下完成的。光纤光栅是近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一。光纤光栅作为传感元件，它具有其它传感器无可比拟的优点，即感应的信息用波长编码，而波长这个绝对参量不受光源功率的波动、连接或耦合损耗的影响。另外，光纤光栅传感还可以通过波分复用、空分复用和时分复用等各种复用技术构成传感网络，即在一根光纤中可以连续写入或串接多个光纤光栅构成光纤光栅传感阵列，这是光纤光栅传感器独有的技术，也是降低光纤光栅传感系统成本，实现多点、分布式传感的重要途径。因此，光纤光栅传感阵列的解调就成为一个热点问题。虽然光纤光栅传感利用波长这个绝对参量感应外部信息，但是当外部多个参量综合作用时，而且当光纤光栅传感器的数目增加时,光纤光栅分布传感的解调就成为一个瓶颈。因此光纤光栅传感解调技术引起了世界各国有关研究者的广泛关注和极大兴趣。随着光纤光栅传感阵列和光纤光栅传感网络的发展，光纤光栅传感器数目急剧增加，这就涉及到传感器数据实时读取和处理等问题，即数据融合问题。在光纤光栅传感网络中，不但产生的大量数据需要实时处理，还需要对数据进行筛选，归纳，总结特征，形成对态势的评估，最终形成判断、识别。因此光纤光栅传感网络的数据融合也成为一个研究热点。 本论文以光纤光栅为研究对象，对其传感特性和解调技术进行探讨和研究，并着重分析了光纤光栅传感的解调特性。主要内容和创新点有： 1．概括介绍了光纤光栅传感技术和解调技术的发展和现状。着重介绍了传统解调技术的原理和特点，并分析了传统光纤光栅传感解调技术的不足。 2．详细讨论了作为光纤光栅传感解调系统的两大部分：相位光栅和图像传感器。首先分析了体相位光栅特性及其分波原理，其次对CCD和InGaAs图像传感器的探测原理、结构等特性进行了描述和比较。 3．概括介绍了倾斜光栅的原理结构，写入方法，而且利用体电流方法对倾斜光栅的耦合进行了理论分析，接着对倾斜光栅的透射谱进行了分析。我们写制了倾斜光栅，进行了透射峰的分析，并且对倾斜光栅应力传感和温度传感的特性进行了实验研究。最后对倾斜光栅的分波原理进行了阐述，并对基于倾斜光栅的解调技术进行了研究。 4．提出了利用倾斜光栅分波，利用InGaAs图像传感器探测光强的光纤光栅传感阵列的波长解调方法。 5．利用InGaAs图像传感器，结合波分复用、时分复用等技术，通过后端软件平台实现多点传感检测和多参量传感检测，并搭建了基于体相位光栅和 InGaAs图像传感器的光纤光栅传感解调系统。这套解调系统不但尺寸小，功耗低，而且具有较高的解调速度，重复性和可靠性极高，基本实现了光纤光栅传感解调的智能化，具有很好的应用前景。 6．提出了基于BP网络的多传感器数据融合技术对光纤光栅传感阵列采集的信息进行数据处理，并对应力、温度光栅传感器探测数据进行了数据融合，通过模拟仿真，融合速度快，融合精度高。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

第一节光纤光栅传感概述

1.1.1光纤光栅的发展历史

1.1.2光纤光栅写入技术

第二节光纤光栅传感复用技术

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

第三节光纤光栅传感解调技术

1.3.1静态解调方案

1.3.2动态解调方案

第四节光纤光栅传感解调技术及融合技术国内外研究现状及发展前景

第五节本论文的研究内容及创新点(选题意义)

第二章多重体全息相位光栅和图像传感器

第一节体相位光栅

2.1.1体相位光栅的写入原理

2.1.2体相位光栅的写入装置

第二节体相位光栅的衍射效率和选择性

2.2.1衍射效率

2.2.2体相位光栅的选择性

2.2.3体相位光栅的分波原理

第三节图像传感器

2.3.1 CCD图像传感器

2.3.2 I nGaAs图像传感器

2.3.3 CCD和InGaAs图像传感器作为光探测器的比较

本章小结

第三章倾斜光纤光栅的分析和研究

第一节倾斜光栅概述

3.1.1 TFBG的写制

3.1.2 TFBG透射谱分析

第二节TFBG的体电流法理论分析

第三节TFBG的传感特性研究

3.3.1 TFBG温度传感特性的分析

3.3.2 TFBG应力传感特性的分析

第四节TFBG的分波原理及其解调技术的研究

3.4.1 TFBG分波原理

3.4.2基于TFBG的波长解调技术研究

本章小结

第四章基于体相位光栅和图像传感器的光纤光栅传感解调系统

第一节基于成像光谱法的光纤光栅传感解调

4.1.1基于成像光谱法的光纤光栅传感解调工作原理

4.1.2基于成像光谱法的光纤光栅传感解调方案

第二节基于体相位光栅和线阵InGaAs图像传感器的光纤光栅传感阵列解调系统

4.2.1传感解调系统结构

4.2.2传感解调系统样机构成

4.2.3传感解调系统实验结果

第三节解调系统性能分析

4.3.1信噪比

4.3.2解调系统波长误差校正

4.3.3波长精确度和稳定性

4.3.4输入功率精确度和稳定性

第四节解调系统软件界面和样机以及性能参数

本章小结

第五章多光纤光栅传感器数据融合技术的研究

第一节多传感器数据融合

第二节多光纤光栅传感器数据融合的层次和体系结构

5.2.1多光纤光栅传感器数据融合的层次结构

5.2.2多光纤光栅传感器数据融合的硬件体系结构

第三节多光纤光栅传感器数据融合的实现算法

5.3.1BP网络

5.3.2 Levenberg-Marquardt算法

第四节BP网络的L-M算法在光纤光栅传感的融合应用

5.4.1学习样本库的建立

5.4.2样本数据的归一化

5.4.3数据融合的实现

5.4.4数据融合结果分析

5.4.5隐层节点和传输函数对数据融合结果的影响

本章小结

第六章总结与展望

参考文献

致谢

个人简历及读博期间发表的学术论文与科研成果