光纤F-P传感器频分波分复用方法研究

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光纤传感技术由于具有抗干扰能力强、本质安全、可测量量多、测量动态范围大、可远程监测等优点,在光纤技术发展起来后就立即引起了众多研究人员的兴趣。光纤Fabry-Perot(F-P)传感器是技术最为成熟、应用最为广泛的光纤传感器之一。论文首先对光纤Fabry-Perot传感器的原理、结构作了一些简单的介绍,然后详细分析了光纤Fabry-Perot传感器复用技术的发展现状,发现现有的光纤Fabry-Perot传感器复用效率比较低,复用系统的结构也比较复杂,实用价值不大,因此探索更先进、更简单实用,更经济的复用方法对推动光纤Fabry-Perot传感器的研究及应用具有十分重要的意义。首先提出了光纤Fabry-Perot传感器的波分复用方法,并讨论了光纤EFPI传感器与光纤Fizeau传感器在复用能力上的差异;建立了光纤EFPI传感器的粗波分复用系统,并进行应变测量实验,实验结果表明该传感器复用系统性能优良,应变测量精度高,达到±2.5με。对光纤Fizeau传感器空间频分复用原理和解调算法进行分析,并根据实际需要选择傅里叶解调算法作为最合适的解调方法;组合光纤Fabry-Perot传感器波分复用方法与光纤Fizeau传感器空间频分复用(SFDM)方法,提出了光纤Fizeau传感器频分波分(SFDM/WDM)复用方法,该方法可复用传感器数量是波分与空间频分复用数量的乘积,其复用潜力巨大,理论上可以复用近一百的传感器;建立了基于SFDM/CWDM复用方法的应变测量系统;应变实验发现腔长差较小的两光纤Fizeau传感器在SFDM复用系统中会出现较大的串扰,对串扰产生的原因进行了详细的分析,提出了解决串扰的加窗技术方法和最小方均值方法;对加窗技术方法,通过数值模拟与实验选择了最为合适的窗函数;对最小方均值方法,使用分布搜索法,提高了计算效率;应变测量实验表明其应变测量精度较高;系统结构简单,复用潜力大,是一种非常好的复用方法;最后还对光纤Fizeau传感器的温度系数与其激光封装技术进行了探讨。为了更进一步的提高光纤F-P传感器的SFDM/WDM复用能力,提出了用IFPI传感器代替光纤Fizeau传感器来进行应变测量的思想,并通过分析选择啁啾光栅F-P传感器作为适合复用的IFPI传感器结构。从光纤光栅的传输矩阵理论出发,通过均匀分段法对啁啾光栅进行了数值模拟,然后根据实验需求优化了啁啾光纤光栅的设计参数,并由此设计出合适的光纤光栅F-P传感器;根据传感器的设计得出了啁啾光栅传感器的反射谱,然后根据应变下光纤的拉长及光纤材料的弹光
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