基于游標(biāo)效應(yīng)和光程差放大的光纖傳感增敏機(jī)理研究.pdf

1、隨著光纖器件工藝的日臻完善，信號(hào)處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，光纖傳感技術(shù)逐漸在多個(gè)應(yīng)用場合嶄露頭角，并且有替代傳統(tǒng)傳感技術(shù)的趨勢。相比傳統(tǒng)傳感技術(shù)，光纖傳感技術(shù)具有無源、抗電磁干擾、壽命長、更易于組網(wǎng)通信等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，然而在有些特殊應(yīng)用場合，傳統(tǒng)光纖傳感技術(shù)仍存在有待克服的缺點(diǎn)。例如地震波探測、自然災(zāi)害前兆觀測和光纖水聽器等領(lǐng)域，傳統(tǒng)光纖傳感技術(shù)分辨率不夠高，然而要達(dá)到高的分辨率，提高光纖傳感系統(tǒng)的靈敏度是關(guān)鍵。因此，研究新型光纖傳感增敏機(jī)理具有

2、重要的意義。
　　全文內(nèi)容圍繞高靈敏度傳感，系統(tǒng)研究了基于光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)的光纖傳感增敏機(jī)理和光程差放大光纖傳感增敏機(jī)理，并進(jìn)行聲波傳感實(shí)驗(yàn)和應(yīng)變傳感實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。具體主要工作內(nèi)容和研究成果如下：
　　(1)研究了基于光學(xué)頻率梳游標(biāo)效應(yīng)的光學(xué)傳感增敏機(jī)理。對其增敏原理進(jìn)行了理論分析，通過模擬仿真不同類型、不同光程差比例的光學(xué)干涉儀組合時(shí)的輸出光譜，提出基于游標(biāo)效應(yīng)光學(xué)傳感增敏機(jī)理的產(chǎn)生條件，為傳感方案提供理論基礎(chǔ)。
　　(2)

3、基于光學(xué)頻率梳游標(biāo)效應(yīng)，提出高靈敏度布拉格光纖光柵-法布里泊羅腔(FBG-FP)解調(diào)復(fù)用方案，通過馬赫澤德干涉儀(MZI)與FBG-FP之間的光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)FBG-FP傳感相位靈敏度的倍增。理論分析和模擬仿真了FBG-FP傳感頭、光程差比例和濾波器對輸出干涉條紋對比度的影響，以及不同傳感單元之間的串?dāng)_，進(jìn)而為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。制作膜片式光纖聲傳感器，通過聲波實(shí)驗(yàn)對增敏原理進(jìn)行了驗(yàn)證。針對背景光對條紋對比度的影響，提出了改進(jìn)方

4、案消除背景光。
　　(3)搭建了基于光學(xué)頻率梳游標(biāo)效應(yīng)的光纖應(yīng)變傳感器，提出了“功分復(fù)用”的方法。這種傳感器由鎖模光纖激光器與無源光纖環(huán)的級(jí)聯(lián)組成，鎖模光纖激光器用來產(chǎn)生高精細(xì)度光學(xué)頻率梳，輸入到傳感環(huán)中產(chǎn)生游標(biāo)光譜，通過雙峰解調(diào)的方式對輸出游標(biāo)光譜進(jìn)行解調(diào)，可實(shí)現(xiàn)高靈敏度的無源光纖環(huán)應(yīng)變測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在0με到10με范圍內(nèi)可獲得高于40 pm/με的應(yīng)變靈敏度。這種傳感器與光纖環(huán)級(jí)聯(lián)的光纖應(yīng)變傳感器相比，由于采用光纖激光

5、器作為光源和參考環(huán)，可大大降低損耗。另外，光纖激光器輸出多縱模的精細(xì)度很高，因此，輸出游標(biāo)光譜的精細(xì)度被大大提高。為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感環(huán)的復(fù)用，引入“功分復(fù)用”方法，通過透射峰功率的大小區(qū)分不同傳感環(huán)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感環(huán)的同時(shí)解調(diào)。
　　(4)搭建了鎖模光纖激光器拍頻的應(yīng)變傳感器。相比傳統(tǒng)的多縱模光纖激光器拍頻傳感器，由于鎖模激光器能產(chǎn)生穩(wěn)定的高階次縱模拍頻信號(hào)，因此可大大提高靈敏度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示應(yīng)變靈敏度高達(dá)0.45 kHz。

6、>　　(5)研究了一種基于光程差(OPD)放大的光纖傳感增敏機(jī)理，利用聲光調(diào)制器(AOM)的光開關(guān)作用進(jìn)行光脈沖的產(chǎn)生和選擇，以實(shí)現(xiàn)光程差的倍增，提高傳感靈敏度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了應(yīng)變傳感靈敏度與給定圈數(shù)之間良好的線性關(guān)系。在光譜可分辨的情況下光程差最多可放大7倍，傳感環(huán)的應(yīng)變靈敏度也相應(yīng)提高7倍。通過對光路進(jìn)行改進(jìn)，可大大提高干涉條紋對比度。
　　(6)基于光脈沖產(chǎn)生和選擇的方法，提出高精度FBG和單模多模單模結(jié)構(gòu)(SMS)傳感和復(fù)