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基于拍频解调技术的光纤激光传感技术研究

刘盛春  
【摘要】:光纤激光传感器因为有超窄的激光带宽和很高的信噪比,最近几年,得到了越来越多的研究,在水声测量、加速度测量、声麦克等领域得到了广泛的应用。本文回顾了光纤激光传感技术的应用,并总结了几种通用的解调技术。现有的激光传感解调技术中,拍频解调技术是非常简单、成本很低且性能稳定的一种解调方案,因此拍频解调技术是最有前途的解调技术之一。这个技术提供了一个简单的信号处理方法,根据这种技术,大量的拍频激光传感器被应用到水声、超声、荷载等物理信息的测量。然而,在实际中,这种传感器需要两个正交的偏振激光模式,它们往往是不稳定的,并且很容易产生跳模。为了解决这些问题,本论文利用拍频解调技术,提出了几种光纤激光传感器来实现既简单又可靠的光纤激光传感器。 第二章首先提出了双波长激光传感器。用双波长激光器的两束相干激光干涉产生的拍频信号作为传感信号。通过一个电光铌酸锂调制器,将高频拍频信号降频然后送到一个低频的频谱仪进行拍频频率监测,得到被检测传感信息的变化情况。通过这种方式,一个施加在双波长激光器的应力被成功测试,得到拍频与应力的响应关系是-8.1 kHz/με,最小可测应力是5με。 第三章提出一种更为简单的多纵模激光传感器。首先,提出一种线性激光谐振腔结构,它由两个光纤光栅、一段掺饵光纤组成。当应力加在激光腔上,有效腔长变化引起激光器谐振频率发生变化,通过监测拍频信号的频率变化可以得到应力的大小。实验表明,1413 MHz的拍频传感信号对应力的响应是-1.1 kHz/με,应力的均方差为3.6με。为了改善两个光栅反射镜波长和相位失配会给多纵模激光器拍频信号带来的噪声,提出了光纤多纵模环形激光传感器,它由一根光纤光栅、一个3-dB耦合器和一段掺饵光纤组成。拍频信号对应力的响应和应力的均方根误差分别为-1.5 kHz/με@1993MHz和2.7με。同时通过实验,讨论了多纵模拍频信号的选择原则。通过以上研究,提供了一个高性价比、高稳定性的多纵模激光传感技术。 在第四章,提出了一个简单的动态拍频解调方案。通过一个光电探测器和一个移相乘法鉴频器就把施加在传感器上的动态信号无失真的解调出来。然后通过一个16位的A/D转换器实现了对动态传感信号幅值和强度的提取。它提供了一种全电子、高度集成化的解调方案。通过实验,60Hz到2kHz的振动信号被成功解调。 最后,利用多纵模拍频信号在射频域的特点,提出了一种简单的无线-光纤混合式光纤激光传感技术。一个改进的多纵模光纤激光器用来作为传感器,它的谐振腔只需要一个光纤光栅、一个宽带反射镜和一段掺饵光纤。光电探测器生成的射频拍频信号经过放大后直接通过无线收发天线完成无线传输。接收到的拍频信号通过频率计解调完成传感信息监测。无线传输前后应力测试被完成,拍频对应力的响应在无线传输前后基本是一致的。最小可测应力在916 MHz和1713 MHz别分为5.7με和3.8με。这种技术实现了一个超远距离、实时的无线光纤传感监测技术。


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