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智能光纤传感网络中关键器件的研制和应用

任文华  
【摘要】: 智能化和网络化是现代光纤传感技术的发展方向,光纤布拉格光栅和光纤法布里-珀罗干涉仪在光纤传感系统的各个组成部分中均有其典型应用,是未来智能光纤传感网络中不可或缺的重要元器件。本论文对光纤布拉格光栅、法布里-珀罗干涉仪以及作为二者结合的相干光纤布拉格光栅组特性进行了深入的理论分析和实验研究,介绍了本实验室自行研制的基于相干光纤布拉格光栅组的振动传感器,以及基于该传感器的智能光纤传感网络在高速列车定位中的应用,主要取得了以下几个方面的研究成果: 1.深入分析了光源相干性对法布里-珀罗干涉仪传输特性的影响。应用维纳-辛钦定理和统计光学的相关知识,建立了法布里-珀罗干涉仪透射率与光源功率谱密度的自相关函数之间的关系,分析了光源相干性对法布里-珀罗干涉仪传感灵敏度的影响。提出一种通过测量法布里-珀罗干涉仪的峰值透射率来测定单模激光器线宽的新方法,拓展了法布里-珀罗干涉仪的应用。 2.研究了光栅的分布式反射特性对相干光纤布拉格光栅组纵模选择特性的影响。求出了均匀光纤布拉格光栅有效长度的解析表达式,提出在计算相干光纤布拉格光栅组的模式间隔时应考虑光栅的平均有效长度:将之应用于分布布拉格反射光纤激光器的分析和设计,利用实验室自制的掺铒光敏光纤获得了准单纵模的激光输出。 3.分析了背景损耗对光纤布拉格光栅光谱特性的影响,提出了光纤布拉格光栅的“直流”和“交流”损耗长度的概念,并求出了其解析表达式。该长度独立于损耗因子,仅由光栅自身的参数决定,可以大大简化相关问题的分析。 4.首次测量了对氢载光纤进行紫外光曝光时产生的光致背景损耗和光致折射率改变量之间的关系,为高精细度相干光纤布拉格光栅组的制作、分析及应用提供了可靠的实验依据,为光纤布拉格光栅基传感器的大规模复用提供了参考和依据。 5.首次将基于相干光纤布拉格光栅组的智能光纤传感网络应用于列车定位,进行了相关器件的研制和现场实验工作,为光纤传感器的实用化提供了参考和依据。该成果已申请国家发明专利“利用相干性光纤光栅组实现列车定位和实时追踪的方法”并取得授权(专利号:ZL200610169813.9)。 6.参与研制光缆预警系统,该系统已成功应用于国庆60周年通州阅兵村安全防卫工作。


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