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基于频移干涉技术的光纤传感器大规模复用方法研究

欧艺文  
【摘要】:光纤传感技术因具有灵敏度高、响应速度快、易于组网、抗电磁干扰强等优点已经广泛地应用于国民经济的各个领域。随着全球信息化和物联网技术的迅猛发展,传统的单点或准分布式光纤传感系统,已经越来越不适应大容量、长距离、低成本光纤传感复用系统的发展需求。因此,开发大规模光纤传感复用系统已显得尤为重要和迫切。时分复用、波分复用以及混合复用等技术是实现光纤传感器组网与扩容的有效方法,并且已在光纤传感复用系统技术中得到了广泛的应用,但这些传统的复用技术受限于系统信噪比、成本及带宽等问题,复用容量不高,难以实现光纤传感复用系统的大规模化发展。因此,研究基于新型光纤传感机制的大规模光纤传感复用系统具有十分重要的学术意义和实际应用价值。本文针对传统复用技术存在的复用容量低、成本高等问题,提出了基于频移干涉技术的大规模光纤传感复用系统的新方案,开展了基于频移干涉技术的光纤法珀传感器、光纤光栅传感器的大规模复用方法的研究,其主要研究及成果如下:(1)研究了基于频移干涉技术的大规模光纤法珀传感器的混联复用方法。针对这种复用方法的实现目标,设计了混联复用光纤法珀传感器复用系统的系统光路,开发了基于Labview的实时数据采集处理系统。由理论仿真结果表明:当光源功率为3mW、光纤法珀传感器的反射率为-30 dB、传感器间隔为40米时,两通道混联系统的复用容量理论上可达到573个。利用该技术,从实验上搭建了一个两通道混联复用光纤法珀传感系统,采用参考位置法解调得到了每个法珀传感器的反射谱,这与光谱仪测量的光谱吻合良好。研究结果证明该复用方案为实现光纤法珀传感器的大规模复用提供了一种低成本、有效的新技术。(2)提出了基于频移干涉技术的大规模全同光纤光栅复用与解调的新方法。针对该方法的特点,在线制备了适合大规模组网的弱光栅阵列,实验上复用了65个弱光栅,利用二次极大值搜索法从二维傅里叶变换谱中解调出了各个弱光栅的位置和峰值波长。通过系统重复性测试和温度传感实验,获得了弱光栅平均峰值波长的测量精度为±3.9 pm,对应的温度分辨率为±0.4℃。通过理论分析表明:当光源功率为14 mW、光栅反射率为最佳值-40 dB、传感器间隔为10米时,该解调系统的复用容量可达3000个。因此,频移干涉技术在实现大规模光纤光栅复用系统具有极大的应用价值和发展潜力。(3)研究了一种基于频移干涉技术的大规模波分复用光纤光栅传感复用系统。搭建了由121个传感单元组成、每单元波分复用3个不同工作波长弱光栅的大规模光纤光栅复用系统。利用改进的二次极大值搜索法,从二维傅里叶变换谱中成功解调出了363个弱光栅的位置和峰值波长。建立了温度传感测试实验平台,获得的温度分辨率为±0.4℃,与基于单一频移干涉技术的弱光栅复用系统的测试结果一致。基于当前实验参数,该系统的最大复用容量理论上可达3207个。研究结果表明该复用方案可以进一步提高复用容量和满足分布式测量需求,在实现大规模光纤传感网络方面具有更为广泛的应用前景。


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