基于游標效應和光程差放大的光纖傳感增敏機理研究.pdf

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

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

3、基于光學頻率梳游標效應，提出高靈敏度布拉格光纖光柵-法布里泊羅腔(FBG-FP)解調(diào)復用方案，通過馬赫澤德干涉儀(MZI)與FBG-FP之間的光學游標效應，實現(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擾，進而為系統(tǒng)參數(shù)設計優(yōu)化提供依據(jù)。制作膜片式光纖聲傳感器，通過聲波實驗對增敏原理進行了驗證。針對背景光對條紋對比度的影響，提出了改進方

4、案消除背景光。
　　(3)搭建了基于光學頻率梳游標效應的光纖應變傳感器，提出了“功分復用”的方法。這種傳感器由鎖模光纖激光器與無源光纖環(huán)的級聯(lián)組成，鎖模光纖激光器用來產(chǎn)生高精細度光學頻率梳，輸入到傳感環(huán)中產(chǎn)生游標光譜，通過雙峰解調(diào)的方式對輸出游標光譜進行解調(diào)，可實現(xiàn)高靈敏度的無源光纖環(huán)應變測量。實驗結果顯示，在0με到10με范圍內(nèi)可獲得高于40 pm/με的應變靈敏度。這種傳感器與光纖環(huán)級聯(lián)的光纖應變傳感器相比，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度很高，因此，輸出游標光譜的精細度被大大提高。為了實現(xiàn)多個傳感環(huán)的復用，引入“功分復用”方法，通過透射峰功率的大小區(qū)分不同傳感環(huán)，進而實現(xiàn)多個傳感環(huán)的同時解調(diào)。
　　(4)搭建了鎖模光纖激光器拍頻的應變傳感器。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，因此可大大提高靈敏度，實驗結果顯示應變靈敏度高達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理，利用聲光調(diào)制器(AOM)的光開關作用進行光脈沖的產(chǎn)生和選擇，以實現(xiàn)光程差的倍增，提高傳感靈敏度。實驗結果顯示了應變傳感靈敏度與給定圈數(shù)之間良好的線性關系。在光譜可分辨的情況下光程差最多可放大7倍，傳感環(huán)的應變靈敏度也相應提高7倍。通過對光路進行改進，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和單模多模單模結構(SMS)傳感和復