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低反射率FBG传感系统及其与光纤干涉仪的复用

刘川  
【摘要】:在科技高速发展的信息时代,光电技术、信息技术在各个行业和领域的作用越来越重要。其中,光电技术中的光纤通信和光纤传感越来越受到人们的密切关注,本课题主要研究光纤传感系统。相比电子传感器,光纤传感器[1,2]具有抗电磁干扰非常强、绝缘性也非常好、易为各种光探测器接收等优点,应用极为广泛,包括大型结构、电力、航空、安防、地质、交通、石化、军事等领域。根据不同的需要,它也由单点检测发展成为多点和分布式检测[3]。本文主要研究低反射率光纤布拉格光栅(FBG)传感系统,在此基础上讨论了低反射率FBG传感系统与光纤干涉仪的复用。 首先,本文分析了各种常见的光纤传感系统的技术路线,包括准分布式光纤传感系统、基于干涉仪的分布式光纤传感系统[3,4,5,6]以及基于OTDR的分布式光纤传感系统。在准分布式光纤传感系统中主要讨论了FBG传感系统的应用、国内外研究现状。然后又分析讨论了最基本的三种光纤干涉仪的原理和结构,包括Mach-Zehnder干涉仪、光纤Michelson干涉仪以及光纤Sagnac干涉仪。最后简单介绍了基于光时域反射(OTDR)的分布式光纤传感系统的分类和原理。 然后,本文分析了FBG传感器及其传感系统的工作原理,包括FBG的应变特性和温度特性,并介绍了FBG的各种解调技术和复用技术。在此基础上深入分析了影响FBG传感系统容量的因素,并对系统容量进行了仿真。根据仿真结果,搭建了基于时分复用和窄波长扫描激光的低反射率FBG光纤传感系统。该方案大大提高了FBG传感系统的容量和距离,实现了多传感点的参量测量。 最后,研究了低反射率FBG传感系统与光纤干涉仪的复用。首先讨论了基于波长扫描的白光干涉技术的原理,并采用LabView[7]对傅里叶解调方法[8,9]进行仿真。作为对比,本文还重点讨论了基于3×3耦合器解调技术及其原理[10-17],并采用MatLab对解调方法进行仿真。之后,又搭建了基于宽波长扫描激光的FBG传感系统与光纤干涉仪复用的传感系统。在此系统中,我们采用白光干涉技术对干涉信号进行解调,采用波峰检测方法对FBG传感信号进行解调。FBG传感系统与干涉传感系统两者的融合,大大地弥补FBG传感系统的不足,可以在工程中实现多点的检测,提高系统的灵敏度。


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