光纤布拉格光栅特性研究及在拉曼激光雷达中的应用

【摘要】：光纤布拉格光栅已成为信息领域中重要的光纤器件之一,由于其固有的抗电磁干扰性以及优异的光谱特征,近红外波段光纤布拉格光栅已广泛应用于通信及传感领域。本文以近红外波段光纤布拉格光栅特性为基础,仿真并实验研究了其在传感领域的超多点复用优势,结合课题组激光遥感的现实需求,开展了可见光波段光纤布拉格光栅技术在激光雷达领域的应用研究,推动了激光雷达空基及星载平台的分光技术发展。针对目前波分复用技术限制光纤布拉格光栅传感节点数目的问题,研究了超多点时分复用的低反射率光纤光栅传感网络。系统采用光纤分布反馈窄线宽激光器为光源,实现了纳秒级窄脉冲的激光驱动器,可输出脉宽5 ns的宽带驱动信号;以电压比较器型峰值保持电路为核心,设计了纳秒级响应时间的宽带信号放大及调理电路,实现了脉宽5 ns且上升时间2.2 ns的峰值信号的低速高可靠性采集。单点应变实验结果表明,采用串联相同低反射率的FBG拓扑结构构成传感网络,其系统空间分辨率达43 cm,稳定时间约为15 ns,线性相关度为0.9992,线性度优于2%,测量误差约为4 %。验证了时分复用光纤光栅传感网络高时空分辨率应变传感的可行性。针对目前时分复用光纤光栅传感网络解调系统复杂的问题,根据频谱扫描光源法以及宽谱光源边缘解调的现状,提出了基于光纤光栅光谱边缘解调技术及校正方法,为解决光纤光栅边缘解调存在量程的问题,提出了双光源交替激励传感模式,以改善测量稳定性与传感精度。仿真及实验结果表明,光纤光栅应变量相对其施加应力的灵敏度约为0.0497με/N,传感系统的单次测量最大误差约为18με,非线性误差为2.8 %,测量平均值的相对误差为2 %。由于目前拉曼激光雷达存在分光系统调整复杂且稳定性差的缺陷,不利于其空基及星载应用,结合光纤布拉格光栅优异的分光特性,构建了基于光纤光栅的拉曼测温激光雷达系统,利用耦合模理论及传输矩阵模型,将现有近红外波段光纤光栅技术延伸至可见光波段,结合闪耀光栅的空间光谱分光特性,设计了绝对测温拉曼激光雷达分光系统,优化分析了可见光波段光纤光栅参数。仿真结果验证了所设计拉曼分光系统和反演算法的可行性,为大气温度的高精度激光遥感探测提供新的探测手段和校正方法。针对转动拉曼分光系统小型化,提出了全光纤转动拉曼分光系统,为改善单谱线提取导致信噪比较低的问题,及全天时且高精度的探测需求,提出了基于取样光纤布拉格光栅的多级级联分光系统,分析了影响取样光纤布拉格光栅带外抑制率的主要因素(折射率调制深度、栅区总长度、取样周期和占空比),通过优化获得了取样光纤布拉格光栅的最优带外抑制率。仿真结果表明,该分光系统可实现白天探测高度可达1.6km,夜晚探测高度可以达到2.6 km。理论研究及实验结果表明,光纤布拉格光栅具有优异的光谱特性及复用特性,其向可见光波段延伸,可用于激光雷达遥感探测领域,其小型化、抗干扰及易兼容的优势,可为拉曼测温激光雷达的空基星载技术提供新的解决方案。