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嵌入TLPFGs的Mach-Zehnder干涉型智能化光纤传感器的研究

陶沛琳  
【摘要】:随着现代化、信息化军事建设和国家重大工程建设项目的快速挺进,以干涉型传感器为代表的光纤传感技术在我国边防预警、特殊管道监测、隧道安全监控、工程安全监测、区域防护等领域展现出独特的优势并得到人们广泛的关注。本论文基于闪耀长周期光纤光栅(TLPFG)和Mach-Zehnder干涉仪建立智能化干涉型光纤传感系统,以实现对入侵事件的智能化、高精度识别。主要研究成果体现在: 1.采用完全匹配层技术和全反射边界条件,建立了闪耀长周期光纤光栅复模耦合模型,深入分析了其区别于普通长周期光栅的特性,得出其中心波长和最小透射率随闪耀角度和光栅周期而变化的关系,具有高度的应力敏感性,利用新的谐振峰可实现传感参数的多维度测量,提高测量精度。 2.针对TLPFGs特定参数下对不同偏振态入射光的透射功率以及中心波长变换进行了分析,从而探索了TLPFGs因闪耀所引入的强烈偏振依赖性,为制作新型偏振滤波器等利用偏振相关性的器件提供了理论依据。 3.提出了一种利用功率谱一阶求导和均值去噪的改进型陷波方法,实现了具有良好频响特性的传感系统。通过平滑滤波减小斜率波动,在保留包络特性的同时对包络曲线进行平滑以加强对斜率突变波段的辨别度,系统相对定位误差为1.5%;进一步引入偏振控制器调整Sagnac干涉型传感器的偏振特性,实验表明,这种方法可将系统相位定位误差降低至0.721%。 4.提出了一种基于Mach-Zehnder干涉仪结合改进3×3耦合器法提取相位信息的方法,通过对三路信号的波形进行预校正,对交流信号进行解调运算得到携带事件特征的相位信息,降低了传统解调方式对耦合器三端口输出相位信息对称性的要求;提出一种基于分段改进互相关法实现对事件作用位置进行判定的方法,可避免因电路噪声干扰及光纤偏振态波动等因素导致的直流漂移现象,提高系统对于入侵事件的定位精度。 5.构建了一种微弱信号探测系统,利用软阈值小波重构法恢复噪声中的有用信息,同时采用FFT高通滤波,进一步平滑信号曲线,实现良好的信号特征选取,提高了判别的精准度。 6.建立了基于回归分析的新型传感信号特征选取模型,针对两类别事件和多类别事件分别设计了特征选取简化模型。引入利用直方图和时域特征的单特征向量选取方法,通过将杂乱的多维样本空间到简单的一维样本空间,再到多维有序样本空间的映射,得到了基于直方图的特征选取简化模型;建立了一种基于多元线性回归的多特征向量选取模型,引入设定的因变量并计算其预测值,实现对特征向量的显著性校验和特征选取。 7.构建了入侵事件模式识别模型,通过基于感知准则的识别运算和有限次反馈优化权系数,实现了对两类入侵事件识别率为91.33%、三类入侵事件识别率为83.33%的高精度识别。 8.提出了一种嵌入TLPFGs的Mach-Zehnder干涉型光纤传感器结构,理论分析表明,这种传感器不仅可以大幅度提高系统对目标事件的定位精度,同时可以解决长距离传感中对于多个事件同时发生时的准确判别问题。


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