低反射率FBG传感系统及其与光纤干涉仪的复用

摘要

在科技高速发展的信息时代，光电技术、信息技术在各个行业和领域的作用越来越重要。其中,光电技术中的光纤通信和光纤传感越来越受到人们的密切关注，本课题主要研究光纤传感系统。相比电子传感器，光纤传感器[1,2]具有抗电磁干扰非常强、绝缘性也非常好、易为各种光探测器接收等优点，应用极为广泛，包括大型结构、电力、航空、安防、地质、交通、石化、军事等领域。根据不同的需要,它也由单点检测发展成为多点和分布式检测[3]。本文主要研究低反射率光纤布拉格光栅(FBG)传感系统，在此基础上讨论了低反射率FBG传感系统与光纤干涉仪的复用。
　　首先，本文分析了各种常见的光纤传感系统的技术路线，包括准分布式光纤传感系统、基于干涉仪的分布式光纤传感系统[3,4,5,6]以及基于OTDR的分布式光纤传感系统。在准分布式光纤传感系统中主要讨论了FBG传感系统的应用、国内外研究现状。然后又分析讨论了最基本的三种光纤干涉仪的原理和结构，包括Mach-Zehnder干涉仪、光纤Michelson干涉仪以及光纤Sagnac干涉仪。最后简单介绍了基于光时域反射(OTDR)的分布式光纤传感系统的分类和原理。
　　然后，本文分析了FBG传感器及其传感系统的工作原理，包括FBG的应变特性和温度特性，并介绍了FBG的各种解调技术和复用技术。在此基础上深入分析了影响FBG传感系统容量的因素，并对系统容量进行了仿真。根据仿真结果，搭建了基于时分复用和窄波长扫描激光的低反射率FBG光纤传感系统。该方案大大提高了FBG传感系统的容量和距离，实现了多传感点的参量测量。
　　最后，研究了低反射率FBG传感系统与光纤干涉仪的复用。首先讨论了基于波长扫描的白光干涉技术的原理，并采用LabView[7]对傅里叶解调方法[8,9]进行仿真。作为对比，本文还重点讨论了基于3×3耦合器解调技术及其原理[10-17]，并采用MatLab对解调方法进行仿真。之后，又搭建了基于宽波长扫描激光的FBG传感系统与光纤干涉仪复用的传感系统。在此系统中，我们采用白光干涉技术对干涉信号进行解调，采用波峰检测方法对FBG传感信号进行解调。FBG传感系统与干涉传感系统两者的融合，大大地弥补FBG传感系统的不足，可以在工程中实现多点的检测，提高系统的灵敏度。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

缩略词表

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 光纤传感系统的技术路线分析

1.3 本课题的意义及其主要研究内容

第二章 FBG传感原理和解调技术

2.1 FBG传感器的原理

2.2 FBG传感系统的解调方案

2.3 FBG传感系统的复用方法

2.4 本章小结

第三章 基于时分复用和窄波长扫描激光的低反射率FBG光纤传感系统

3.1 实验系统和原理

3.2 系统容量的仿真与分析

3.3 实验系统所用的主要器件

3.4 系统实验

3.5 本章小结

第四章 宽波长扫描激光FBG传感系统与光纤干涉仪的复用

4.1 引言

4.2 实验系统的结构和原理

4.3 光纤Michelson干涉仪的传感原理

4.4 光纤Michelson干涉仪的信号解调技术

4.5 系统实验

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果