【摘 要】
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广域多点遥感技术在灾害监测与定位领域中发挥着重要作用。在光域里实现的微波光子传感系统具有大带宽、高速率、抗干扰和低功率损耗等其他传感技术所不具备的诸多优点,基本原理是将传感信息通过光信号形式转换成微波信号,能够提高识别速度和精度,更稳定、更易控制,具有良好的可重复测量特性。本文基于均匀光纤布拉格光栅(UFBG)建立的光电振荡器(OEO),提出了几种新型的准分布式光纤传感器阵列和光纤传感解复用技术。
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广域多点遥感技术在灾害监测与定位领域中发挥着重要作用。在光域里实现的微波光子传感系统具有大带宽、高速率、抗干扰和低功率损耗等其他传感技术所不具备的诸多优点,基本原理是将传感信息通过光信号形式转换成微波信号,能够提高识别速度和精度,更稳定、更易控制,具有良好的可重复测量特性。本文基于均匀光纤布拉格光栅(UFBG)建立的光电振荡器(OEO),提出了几种新型的准分布式光纤传感器阵列和光纤传感解复用技术。另外,本文还提出了一种基于外光注入锁定FP激光器的单通带和多通带微波光子滤波器(MPF)方案,可用于微波光子传感器。本文主要内容和结果如下:1.我们演示了一种新型的基于光电振荡器(OEO)和强反射率均匀光纤布拉格光栅(UFBG)的准分布式传感器解复用方法。当FBG传感器受到环境变化的影响时,FBG波长发生偏移,将已调光信号反射回环路,满足条件时激发振荡。解复用系统利用振荡频率对光栅的位置信息进行编码,其具有三个优势:第一,不需要连续的扫描波长和快速的数字信号处理,可以实现高速和高稳定性。其次,使用相同的强反射率FBG,从而确保远距离和大容量。第三,可以在低频范围内工作,有可能成为低成本的询问器。该系统的理论容量为一条光纤上共62个多路复用点。实验结果表明,感应区域的范围为1m~1km,响应时间为~0.61s,振荡频率稳定性为<28k Hz。激光波长和警报应变/温度之间的线性关系分别为1.3με/pm或0.1°C/pm,可用于设置报警阈值。2.我们提出了一种新型的基于波长-时间(WTT)映射和多环OEO的FBG传感器阵列解调方法,该方法可以以超高灵敏度线性检测应变和温度。工作原理是将引起布拉格波长偏移的可测量变化被映射到环路的时延变化,继而影响振荡频率。它具有以下优点:(1)多环OEO实现了具有高速,大距离,低相位噪声和大自由光谱范围(FSR)的传感器阵列;(2)为了实现大规模和多点解调,已使用宽带激光源和具有不同布拉格波长的强反射率FBG;(3)通过使用高次谐波频率和负色散系数大的元件来实现超高灵敏度。应变和温度测量的灵敏度分别为40.2Hz/με和146.5Hz/°C,由干扰和噪声引起的频率偏移在1k Hz以内。3.我们改进2方案并提出了另一种基于波长-时间(WTT)映射的FBG传感器阵列解调方法。基本原理也是将FBG的波长变化转换为OEO的振荡频率偏移,改进处是将FBG传感器阵列放到EOM前面,有以下优点:(1)增大FSR,提高测量范围;(2)每个FBG传感器灵敏度相同;(3)传感器阵列灵敏度提高。实验结果表明,OEO产生的微波信号频率与施加于FBG的应变具有良好的线性关系。当使用色散系数为-165.8 ps/nm的色散补偿光纤(DCF)、中心频率为~2056.4MHz的滤波器时,灵敏度提高至58Hz/με。4.我们提出了一种可调谐单通带和多通带微波光子滤波器(MPF),原理是通过注入锁定Fabry-Perot(FP)激光器。在注入多个光波的情况下,基于半导体激光器的频率选择效应产生了多个通带。由于所提出方案的注入比高,所以每个通带的中心频率具有较大的可调范围。通过微调注入参数,双通MPF的频率调谐范围达到17GHz,带外抑制比达到24.1d B,带通抑制比达到22d B;对于单通带MPF,可实现360MHz的3-d B带宽。注入参数包括失谐频率、注入率和FP激光器的偏置电流,研究其对MPF的影响规律。通过实验评估了MPF的稳定性和动态范围。
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