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光纤传感复用扩容与组网应用研究

李晓磊  
【摘要】:光纤传感技术伴随着光纤通信技术的逐步成熟而兴起。经过40多年的迅速发展,光纤传感技术的研究和应用已经涵盖国民经济的各个领域。迄今为止,光纤传感仍然主要局限于分立的光纤传感器件以及单点或多点式光纤传感系统,已经越来越不能适应光纤传感应用的微型化、集成化和网络化发展需求,也制约了光纤传感产业的规模化发展。因此,光纤传感网是光纤传感技术发展的必然趋势。大容量的光纤传感器组网,不仅可以提高光纤传感技术的实用性,同时也可以推动光纤传感技术在更多领域的应用发展。 本论文针对光纤传感复用扩容技术展开深入研究,提出基于多域混合复用的光纤传感器接入扩容技术,并对其结构特点、网络构架、复用容量等关键问题进行分析研究。将复用扩容技术与具体传感器技术结合,实现光纤传感器网络在安防、电力等领域的组网应用,验证复用扩容技术的可行性和先进性。另外,为进一步提高复用扩容技术的实用性,针对光纤传感复用组网的共性基础技术也进行了研究。主要研究成果如下: (1)研究了基于分布式光纤振动传感技术的混合波分/时分复用扩容方法,设计了混合复用无源传感光网络构架。针对这种网络构架的特点,设计了自反馈型的非平衡MZI-SI分布式传感结构,通过理论建模及仿真计算,全面分析了该传感结构的传感特性,解决了光纤干涉仪常见的偏振诱导信号衰落问题。利用该传感网络架构可以通过32时分、8波分实现共256个传感器的大容量复用。设计并实现了一套针对建筑物周边安全警戒的HSPON系统,可接入120个传感单元,其最大传感距离可达60Km。通过为期6个月的模拟应用测试,结果表明该系统具有响应迅速、灵敏度高、、误报率较低、可靠稳定的优点,适合于周界安防应用。 (2)研究了基于光纤智能微结构传感器的混合频分/波分复用扩容技术。针对这种复用扩容技术的实现目标,设计了基于超弱光纤布拉格光栅(FBG)对构成的短腔微结构传感器,提出单次扫描在线制作工艺,建立传感器的理论模型,对这种微结构传感器的结构特点、传感特性、制作工艺展开分析研究,分析结果证明这种新型传感器具有频率、波长二维编码的特性,同时可以实现高灵敏度的温度和应力传感。基于这种光纤智能传感微结构,结合频分/波分的混合复用技术组成结构简单、复用容量大的传感网络构架。通过理论计算和分析讨论,证明该网络的传感复用容量可达上千个。同时,针对传感网络中多传感器融合的信号特点,采用快速傅里叶变换和有限冲击响应滤波相结合的快速数据处理方法,实现传感单元地址和感知信号的智能提取。基于研究成果,结合电力线路温度监测需求,建立温度传感实验验证系统,测试结果证明该系统具有良好的稳定性和较高的灵敏度。 (3)分析光纤传感复用扩容组网应用中的共性基础技术,设计了多种适用于大容量光纤传感网络的高性能光源和光探测接收模块等关键电路的方案。分别对高稳定连续光源驱动电路、高速脉冲调制光源驱动电路、低噪声光功率探测电路及高放大倍率微弱光信号探测电路的具体设计方案展开详细分析讨论,并将这些共性电路设计方案作为基本单元模块,采用串行外设总线结构,利用基于ARM Cortex-M3内核的STM32处理器作为控制核心,利用触摸液晶屏作为人机交互界面,构建了光纤传感网络的可行性验证测试平台。


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