發(fā)布時間：2018-09-07 08:53

【摘要】：光纖光柵法布里-珀羅(FBG-FP)傳感系統(tǒng)因其結構簡單、可靠性高等優(yōu)點在光纖傳感領域占有越來越重要的地位。光纖加速度計、光纖矢量水聽器等光纖傳感器由于尺寸和機械諧振的制約,不能從機械結構上實現(xiàn)小尺寸的高靈敏度傳感。論文基于匹配干涉的光纖光柵法布里-珀羅腔傳感系統(tǒng),采用多次反射光脈沖提高傳感光程的光學手段,實現(xiàn)了FBG-FP傳感系統(tǒng)性能大幅度提升。論文主要創(chuàng)新點和成果如下:1.分析了FBG-FP光學增敏傳感系統(tǒng)各個參數(shù)的優(yōu)化設計方案,理論和實驗研究了1~9階匹配干涉的傳感性能,驗證了該系統(tǒng)具有提高FBG-FP傳感系統(tǒng)靈敏度和分辨率水平的能力。2.提出了二次聲光斬波、放大、濾波處理新技術,該技術解決了高倍增敏傳感時存在的光功率衰落和不均衡問題,成功突破了常規(guī)FBG-FP光學增敏傳感系統(tǒng)的增敏極限,將20倍增敏的本底噪聲降低約11d B。3.提出了有源FBG-FP增敏傳感新技術,該技術不僅能夠解決高倍增敏時存在的光功率衰落和不均衡問題,而且具有更高的系統(tǒng)集成度和更低的成本。理論分析了有源FBG-FP的噪聲性能和高階脈沖均衡輸出能力。將有源FBG-FP技術用于高倍增敏傳感,實現(xiàn)了30倍增敏傳感。4.從理論上研究了單路FBG-FP增敏傳感系統(tǒng)和時分復用FBG-FP增敏傳感系統(tǒng)的串擾問題。分別對串擾來源、大小、頻譜進行研究,得出抑制串擾的系統(tǒng)設計方法。通過仿真計算、兩基元系統(tǒng)和三基元系統(tǒng)對串擾理論進行驗證,實現(xiàn)了串擾小于-40d B的時分復用FBG-FP增敏應變傳感。5.研制了FBG-FP增敏傳感的光纖加速度計和光纖矢量水聽器。增敏后的光纖加速度計靈敏度提高了18超過25d B,分辨率水平改善超過15d B。增敏后的光纖矢量水聽器靈敏度提高了4倍且具有優(yōu)良的指向性。
[Abstract]:Fiber Bragg grating Fabry-Perot (FBG-FP) sensing system plays an increasingly important role in the field of fiber optic sensing because of its simple structure and high reliability. Optical fiber accelerometers, optical fiber vector hydrophones and other optical fiber sensors can not realize high sensitivity sensors with small size from mechanical structure due to the constraints of size and mechanical resonance. In this paper, the fiber Bragg grating Fabry-Perot cavity sensing system based on matching interference is used to improve the optical path of the FBG-FP sensing system by means of multiple reflected light pulses. The performance of the FBG-FP sensing system is greatly improved. The main innovations and achievements are as follows: 1. The optimal design scheme of each parameter of FBG-FP optical sensitizing sensing system is analyzed. The sensing performance of 1-order 9 order matching interferometry is studied theoretically and experimentally. It is verified that the system has the ability to improve the sensitivity and resolution level of FBG-FP sensor system. A new technique of two-order acousto-optic chopping, amplifying and filtering is proposed, which solves the problems of optical power fading and imbalance in high multiplier sensing, and successfully breaks through the sensitizing limit of conventional FBG-FP optical sensitizing sensing system. The background noise with 20 doubling sensitivity is reduced by about 11d B.3. A new active FBG-FP sensitizing sensing technique is proposed, which can not only solve the problem of optical power fading and imbalance in high multiplier sensitivity, but also have higher system integration and lower cost. The noise performance of active FBG-FP and the output capacity of high order pulse equalization are analyzed theoretically. The active FBG-FP technology is applied to the high multiplier sensing, and the 30 multiplier sensing. 4. 4. The crosstalk problem of single-channel FBG-FP sensitized sensing system and time-division multiplexed FBG-FP sensitized sensing system is studied theoretically. The source, size and spectrum of crosstalk are studied respectively, and the system design method of suppressing crosstalk is obtained. The theory of crosstalk is verified by two-element system and three-element system, and the time-division multiplexing (TDM) strain sensing of FBG-FP with crosstalk less than -40dB is realized. Fiber accelerometer and fiber vector hydrophone for FBG-FP sensitizing sensor are developed. The sensitivity of the fiber accelerometer is increased by 18 dB and the resolution level is improved by 15 dB. The sensitivity of the sensitized fiber vector hydrophone is increased by 4 times and has good directivity.
【學位授予單位】：國防科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP212;TN253

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