總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的大容量光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)研究.pdf

1、光纖布喇格光柵（Fiber Bragg Grating）是目前最具有發(fā)展前景的光無源傳感器件之一，因其具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于傳感測量領(lǐng)域。利用FBG體積小、質(zhì)量輕和柔性可彎曲的特點(diǎn)，容易將其埋入復(fù)合材料內(nèi)部形成具有傳感特性的智能復(fù)合材料；利用各種復(fù)用技術(shù)可以組建分布式FBG傳感網(wǎng)絡(luò)，以減小傳感系統(tǒng)成本；利用FBG傳感器本質(zhì)安全的特性，可以將其使用在強(qiáng)電磁干擾以及對(duì)防火、防爆要求嚴(yán)格的環(huán)境下。
　　本文以提高光纖光柵傳感網(wǎng)

2、絡(luò)中傳感器復(fù)用容量、增強(qiáng)傳感器在實(shí)際工程應(yīng)用中的生存能力以及后期維護(hù)性為目標(biāo)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的大容量光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)，本論文的主要研究成果如下：
　　設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻域反射（OFDR）光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，以解決光纖光柵波分復(fù)用傳感網(wǎng)絡(luò)中傳感器復(fù)用數(shù)量受光源帶寬和傳感器測量范圍限制的問題。布置8個(gè)同波長的強(qiáng)反射率光纖光柵于基于OFDR的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)支路，成功實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器波長和

3、位置的同步解調(diào)，恒溫實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)的波長重復(fù)性為±5 pm。此外，研究了基于頻域反射技術(shù)的光纖光柵非均勻應(yīng)變測量系統(tǒng)，對(duì)結(jié)構(gòu)損傷附近的非均勻應(yīng)變進(jìn)行了測量，測量結(jié)果與理論仿真具有較高的吻合度。
　　對(duì)組建光纖光柵傳感系統(tǒng)所需要的關(guān)鍵模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，包括：低噪聲光電轉(zhuǎn)換模塊、寬帶光源和摻鉺光纖放大器、波分復(fù)用傳感系統(tǒng)波長掃描模塊、時(shí)分復(fù)用傳感系統(tǒng)波長掃描和時(shí)序觸發(fā)模塊以及光脈沖調(diào)制模塊。
　　發(fā)明了全雙工三端子上下載波分復(fù)

4、用器，用于構(gòu)建一種總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的波分復(fù)用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)，以提高傳感器的實(shí)際工程生存能力和后期可維護(hù)性。上下載波分復(fù)用器具有光分路器的功能，但其與后者相比不會(huì)帶來明顯的光譜強(qiáng)度損耗。試驗(yàn)表明基于上下載波分復(fù)用器的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)波長分辨率小于1pm，長期波長穩(wěn)定性為1.7pm。
　　設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的大容量時(shí)分復(fù)用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)，以彌補(bǔ)基于頻域反射光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)由于激光器相干長度限制而測量距離較短的缺陷

5、。這種總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的時(shí)分復(fù)用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)克服了串接式時(shí)分復(fù)用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中多重反射和光譜陰影對(duì)傳感容量和測量精度的影響， 并且傳感器的實(shí)際工程存活率得到很大提高。連接17個(gè)同波長強(qiáng)反射率FBG傳感器于總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)支路，利用TDM技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)17個(gè)FBG傳感器的波長和位置信息的解調(diào)。選出其中的四個(gè)FBG傳感器進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與理論值吻合。基于總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的TDM光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量主要受光源輸出

6、功率影響，而目前EDFA非常成熟，通過EDFA放大光源輸出功率，系統(tǒng)的傳感器容量可以得到極大提升。
　　為了進(jìn)一步提高光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的容量，研究了利用SDM、WDM、OFDR以及TDM四種光纖光柵復(fù)用技術(shù)混合組建FBG傳感網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)了利用WDM/TDM相結(jié)合組建總線型光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)中34個(gè)光纖光柵傳感器波長和位置信息的同步解調(diào)，實(shí)驗(yàn)證明這種總線結(jié)構(gòu)的WDM/TDM光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)一步提高傳感器的復(fù)用能力，