光纖布拉格光柵傳感解調技術及應用研究.pdf

1、光纖布拉格光柵（FBG）傳感技術是上世紀七、八十年代逐漸形成的一門光學傳感技術分支。因其具有良好的電磁兼容性、絕緣性、耐腐蝕性和復用組網(wǎng)等特點，在結構健康監(jiān)測、石化勘探、航空航天、電力能源等領域有著潛在和廣泛的應用。
　　本論文主要結合水下隔水管應力應變監(jiān)測以及FBG傳感系統(tǒng)光源和解調集成模塊關鍵技術等需求，開展特殊環(huán)境使用的FBG傳感器解調技術并研制相應的解調裝置。具體完成的工作和創(chuàng)新點如下：
　?。?）設計并研制出采用雙

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

3、動放大率和偏置電壓，結合 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-透鏡結構線陣探測器光柵光譜儀模塊，研制出便攜式FBG解調儀，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；結合隔水管FBG應力、彎矩監(jiān)測需求，研制出三個版本的光譜解調裝置，完成了上位機軟件

4、編寫、單機調試及系統(tǒng)聯(lián)調，并進行聯(lián)機湖試和海試。
　?。?）詳細分析了半導體光放大器（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、當腔內的損耗大于增益時，激光停止輸出，可以通過參數(shù)預估該閾值電流的大??；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，并與實驗進行了比較，結果顯示：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)的光子唯象地進行解釋；②實驗中最大輸出激光功率為14.38mW，相應波長為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，隨著驅動電壓增加，激光波長藍移，且平均掃描速率為6.74nm/V。此外，本文詳細分析了氰化氫（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解調實驗中作為波