基于微波调制的准分布式光纤传感及其波长解调技术研究

摘要

光纤传感技术由于其体小质轻，高灵敏度，抗电磁干扰等一系列优点受到学术以及工业界的广泛关注。目前用光纤传感技术可测量的物理环境参数高达上百种，使的它在很多工业领域中发挥着非常重要的作用。大规模分布式光纤光栅传感网络在需要进行大范围的实时测量应用中，如桥梁结构监测，油井探测等等，更是具有非常诱人的应用前景。然而其代价高，响应速度慢，信号功率弱，以及复用容量与光栅之间串扰之间矛盾等一系列缺点依然限制了目前的传感网络在涉及到需要在特大范围中的进行实时探测的一些工业的广泛应用。
　　本论文在这一背景在，对一系列新型的基于微波调制的分布式光纤传感进行了深入的理论以及实验研究，并设计了一些适用于大型分布式光纤传感网络布拉格光栅(FBG)的解调的方案。主要的研究成果如下
　　(1)设计并验证一种基于微波域干涉解调的一种长距离光栅应力传感系统。在此方案之中我们创新地将长距离的光纤链路利用作为干涉信号的色散介质，将波长信息转化为时延信息，使得FBG的波长漂移转换为微波域干涉谱的移动。此长距离探测系统具有高灵敏度，高灵活性、温度自适应性的优点。更重要的是相对于传统光域干涉仪传感器，此基于微波域的干涉仪具有更加稳定以及可靠的测量性能。
　　(2)提出了一种基于交叉高斯滤波器的布拉格光栅传感器的解调方案。方案中使用了两个相同但具有一定中心偏差的高斯滤波器，将光栅波长的变化线性的转换成强度的变化。它具有潜在的超快响应速度和实时监测参数变化的能力，另外可以通过简单的控制两个高斯滤波器的中心偏差大小来调节灵敏度以及动态范围，使得它具有极高的测量灵活性。此外，由于它使用的是可以具有超宽谱的高斯滤波器件，相对于传统的线性边缘滤波思想，此方案具有潜在的更大的测量动态范围。更重要的是此解调思想不但适用于传统的布拉格光栅的测量，也可以被用来解调具有宽的反射谱的超短布拉格光栅，为此类光栅提供了非常理想的解调方案，并为其今后在传感网络中的进一步应用提供了非常重要的基础。
　　(3)提出一种基于分析微波光子网络频率响应的大规模分布式光纤传感网络。具有宽反射谱的超短布拉格光栅作为全同光栅传感器，并将交叉高斯滤波的解调思想创新性地运用在传感网络当中。实验验证了传感网络的可行性，以及其可调谐灵敏度和动态范围，不受绝对强度变化干扰，高性噪比以及低串扰等一系列特点。本论文还通过仿真进一步全面的分析了此大规模传感网络的串扰，复用容量等等一些重要的系统参数，进一步得出此新型的基于超短光栅的传感网络与传统方案相比，在理论上具有的显著更高的复用容量和整体信号功率，因此其将更加适用于大规模的监测应用之中。可以预见，这种传感网络对于今后搭建超大规模、可靠的新型分布式传感网络具有非常重要的意义。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 本课题研究的背景和意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本论文的主要工作

2 基于微波域干涉的光栅解调系统以及其在远距离应力传感的应用研究

2.1 传统全光干涉传感器的应用局限性

2.2 干涉仪的结构及其原理

2.3 实验研究

2.4 本章小结

3 基于交叉高斯滤波器的典型光纤光栅解调技术

3.1 基于强度调制的光栅波长解调技术的研究背景

3.2 基本原理

3.3 实验研究

3.4 本章小结

4 利用交叉高斯滤波思想解调超短光纤光栅传感器

4.1 超短布拉格光栅传感器的研究背景以及应用潜力

4.2 基本原理

4.3 实验研究

4.4 本章小结

5 基于微波光子网络分析和交叉高斯滤波解调的大型超短光栅传感网络

5.1 超短布拉格光栅传感器的研究背景以及应用潜力

5.2 基本原理

5.3 实验探究

5.4 本章小结

6 基于全同超短光纤光栅和交叉高斯滤波解调的光纤传感网络数值分析

6.1 传统基于窄带弱反光栅的光纤传感网络性能的局限性

6.2 传感网络的仿真探究

6.3 本章小结

7 全文总结

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表论文目录