光纖布拉格光柵傳感解調(diào)技術(shù)及應(yīng)用研究.pdf

1、光纖布拉格光柵（FBG）傳感技術(shù)是上世紀(jì)七、八十年代逐漸形成的一門光學(xué)傳感技術(shù)分支。因其具有良好的電磁兼容性、絕緣性、耐腐蝕性和復(fù)用組網(wǎng)等特點，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、石化勘探、航空航天、電力能源等領(lǐng)域有著潛在和廣泛的應(yīng)用。
　　本論文主要結(jié)合水下隔水管應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測以及FBG傳感系統(tǒng)光源和解調(diào)集成模塊關(guān)鍵技術(shù)等需求，開展特殊環(huán)境使用的FBG傳感器解調(diào)技術(shù)并研制相應(yīng)的解調(diào)裝置。具體完成的工作和創(chuàng)新點如下：
　?。?）設(shè)計并研制出采用雙

2、柵匹配及反射工作模式的FBG壓力傳感解調(diào)儀。該解調(diào)儀可以實現(xiàn)1548.221~1553.418nm范圍的波長解調(diào)，解調(diào)靈敏度大于等于147.91ms/nm，線性度優(yōu)于99.8％。
　?。?）研制出采用光纖法布里-珀羅可調(diào)諧濾波器（FFP-TF）的改進(jìn)型FBG壓力傳感解調(diào)儀。該解調(diào)儀綜合運用環(huán)控措施和單點校準(zhǔn)方案解決了法布里-珀羅（FP）濾波器的溫度漂移問題，線性度優(yōu)于99.8%。較雙柵匹配法解調(diào)儀的優(yōu)點在于，可以通過硬件配置掃描驅(qū)

3、動放大率和偏置電壓，結(jié)合 FP自身自由光譜范圍（FSR）較寬的特點實現(xiàn)不同測量范圍不同測量精度的組合。
　?。?）采用透鏡-光柵-透鏡結(jié)構(gòu)線陣探測器光柵光譜儀模塊，研制出便攜式FBG解調(diào)儀，并在硬件上實現(xiàn)亞像素算法，將該模塊的物理分辨率提高了17倍；基于超輻射發(fā)光二極管（SLD）并通過對其溫度、電流和光功率的反饋控制，研制出 FBG傳感用便攜式光源；結(jié)合隔水管FBG應(yīng)力、彎矩監(jiān)測需求，研制出三個版本的光譜解調(diào)裝置，完成了上位機軟件

4、編寫、單機調(diào)試及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，并進(jìn)行聯(lián)機湖試和海試。
　　（4）詳細(xì)分析了半導(dǎo)體光放大器（SOA）的理論模型，討論了基于該器件的環(huán)形掃描激光器工作原理和特性。仿真結(jié)果顯示：①在電激勵下，SOA首先發(fā)出紋波振蕩形狀的放大自發(fā)輻射（ASE）噪聲，該噪聲在FFP-TF選頻濾波作用下經(jīng)若干次循環(huán)最終形成穩(wěn)定的激光輸出；②隨著FFP-TF上的驅(qū)動電壓變化，即濾波帶改變，可以形成掃描激光輸出，并且掃描寬度大于 ASE譜寬度；③隨著注入電流的減少，

5、當(dāng)腔內(nèi)的損耗大于增益時，激光停止輸出，可以通過參數(shù)預(yù)估該閾值電流的大??；④不同輸出耦合率（反饋比例）情況下，其激光輸出能量與掃描帶寬也可以用本模型估算出。
　?。?）采用Giles模型分析了不同濾波器中心情況下，Er3+纖組成的環(huán)形掃描激光器的輸出光功率，并與實驗進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示：①最大輸出激光功率符合得較好，但是仿真譜相比較實驗譜出現(xiàn)紅移，而且兩者的掃描范圍相比摻鉺光纖放大器（EDFA）的增益譜寬，且紅移，這可以通過一次激發(fā)

6、的光子和二次激發(fā)的光子唯象地進(jìn)行解釋；②實驗中最大輸出激光功率為14.38mW，相應(yīng)波長為1555.360~1562.065nm，從1528.243~1594.613nm，光功率變化為7.34mW；③實驗中，由于FFP-TF的特性，隨著驅(qū)動電壓增加，激光波長藍(lán)移，且平均掃描速率為6.74nm/V。此外，本文詳細(xì)分析了氰化氫（HCN）氣體吸收池的光譜特性以及增加吸收深度的方法，并將其用于摻Er3+光纖環(huán)形腔掃描激光器FBG解調(diào)實驗中作為波