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基于光纤光栅的海洋温盐深探测技术研究

赵强  
【摘要】:温盐深仪(Conductivity-Temperature-Depth,简称CTD)是一种海洋探测仪器,广泛应用于海洋科学考察、海洋资源调查开发、海洋环境监测以及海洋军事科学等领域。近年来,由于本征绝缘、适合原位和遥感监测等优点,光纤传感技术在海洋探测中的应用逐渐引起人们的兴趣。基于光纤光栅的传感器具有灵敏度高、便于复用和解调成本低等优点,成为海洋探测的新技术。 本文围绕基于光纤光栅的海洋温盐深探测技术开展了一系列研究。 首先,开展了光纤光栅的理论分析。利用耦合模式理论,系统地分析了布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅的耦合效率、谐振波长、带宽、色散和场方程及耦合常数等关键参数,进行了长周期光纤光栅的透射谱模拟,并与实验结果做了对比分析,为开展光纤光栅传感器的研制提供了必要的理论指导。 然后,开展了紫外激光掩模法长周期光纤光栅的研制,并分析测试了其温度、折射率和轴向应变特性。在比较了载氢、锗硼和超细三种长周期光纤光栅的传感特性后,得到结论,锗硼长周期光纤光栅适合做温度传感器,超细长周期光纤光栅适合做折射率传感器,长周期光纤光栅不适合做海洋压力传感器。之后利用HF腐蚀、聚酰亚胺涂覆、金属涂覆等方式对温度和折射率传感器进行了相应的增敏研究。 接着,开展了载氢长周期光纤光栅水下波长稳定性的研究。深入分析了载氢长周期光纤光栅水下波长偏移的原因,发现与光纤内部的氢扩散和外部水分子渗入有关,在综述了国内外相关研究的基础上,首次提出水分子诱导光纤内部残存氢二次扩散模型,氢在光纤中扩散速率的计算和二次水浴实验为该模型提供了理论上和实验上的支持。同时,引进了水分子与石英材料间的扩散一反应模型,结合谐振波长灵敏度公式定性分析了水分子渗入对载氢长周期光纤光栅谐振波长的影响,分析结论与实验结果一致。鉴于水分子的不利影响,提出通过光纤选型和金属涂覆方式提高波长的稳定性。 之后,开展了基于光纤光栅的温盐深探测系统的研究。从总体的角度介绍了光纤光栅温盐深探测系统的设计与研制,包括基于BaySpec模块的高精度解调仪的研制、基于长周期光纤光栅的温度/折射率传感器和基于布拉格光纤光栅的压力传感器的设计与封装,并给出利用高精度解调仪测试封装后的温盐深传感器性能的实验结果。 最后,开展了光热调谐分布反馈式光纤激光器特性的研究。光纤激光器中的光热效应常引起输出激光的抖动,利用这一原理,研究了980nm LD作为光热光源时光纤激光器的静态和动态特性;为了提高调谐性能,引进独立的905nm LD作为光热光源,并改进了系统光路,研究了光纤激光器的动态和静态特性。光热调谐给出了一种简便的实现大动态范围和高速调谐的方式。


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