雙邊緣濾波光纖布拉格光柵解調(diào)技術(shù)

分析光纖光柵傳感原理,闡述可調(diào)光纖f-p濾波器的工作機(jī)理和特點(diǎn),并介紹了基于arm實(shí)現(xiàn)光纖布拉格光柵(fbg)傳感器的解調(diào)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。采用三星公司的s3c44box對經(jīng)過可調(diào)諧f-p腔解調(diào)后的波長信息進(jìn)行采集,并對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)可以滿足一般的工程要求。

提出了一種基于fpga與dsp平臺(tái)的光纖布拉格光柵傳感分析儀,將外界參量的變化轉(zhuǎn)化為光纖布拉格光柵波長的偏移,通過數(shù)據(jù)采集、過濾雜波、信號(hào)波峰檢測、高斯曲線擬合以及加權(quán)波長計(jì)算等關(guān)鍵步驟來實(shí)現(xiàn)波長解調(diào)技術(shù),進(jìn)而完成溫度、應(yīng)變、壓力或位移等對象的在線測量,并且可以實(shí)現(xiàn)光纖線路故障分析與定位的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)功耗低、線性度好、波長解調(diào)精度與分辨率較高。經(jīng)過長期測試,系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

根據(jù)理想模展開下的耦合模方程,對光纖布拉格光柵的峰值反射率公式進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo),得到了布拉格光纖光柵的光譜反射率表達(dá)式。全面討論了光柵周期、光纖柵長、光致折射率微擾最大值等參數(shù)與光纖光柵反射光譜的關(guān)系。仿真結(jié)果顯示了固定參數(shù)下布拉格光柵的極限窄帶寬,得到的反射率為1、帶寬為0.02nm的窄帶寬布拉格光柵,比現(xiàn)今分布式傳感系統(tǒng)中使用的布拉格光柵的帶寬窄1個(gè)數(shù)量級。這種布拉格光纖光柵用于分布式傳感系統(tǒng),可大大提高分布式傳感系統(tǒng)中光源的帶寬利用率,消除各信號(hào)間的相互串?dāng)_,提高傳感光柵復(fù)用數(shù)目,降低解調(diào)系統(tǒng)成本。

基于光波導(dǎo)理論與光纖布拉格光柵(fbg)的模式耦合理論,對倏逝波fbg傳感器的能量衰減特性進(jìn)行了分析研究。最后得到了fbg的歸一化反射率的表達(dá)式,它是外部介質(zhì)折射率(sri)和fbg纖芯直徑的函數(shù)。理論仿真顯示fbg歸一化反射率會(huì)隨著sri增大和fbg腐蝕程度的加深而減小,呈非線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明增大sri(小于包層介質(zhì)折射率)或者增大fbg的腐蝕程度都會(huì)使光纖纖芯中的傳輸能量減小,增強(qiáng)倏逝波與外部媒介的相互作用,從而增加傳感器的靈敏度。

為了研究鍍ni光纖布拉格光柵(fbg)的溫度靈敏度,根據(jù)鍍nifbg的特點(diǎn),分析了鍍nifbg溫度變化時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變,從理論上推導(dǎo)出鍍nifbg的溫度靈敏度公式并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,用理論證明了鍍nifbg的波長漂移、應(yīng)力和應(yīng)變與溫度變化成線性關(guān)系,分析了鍍nifbg的溫度靈敏度與鍍層厚度的關(guān)系。用an-sys軟件對鍍nifbg在溫度變化時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了仿真。理論分析得到鍍層厚度為4.56μm的鍍nifbg的溫度靈敏度為14.3306pm/℃,實(shí)驗(yàn)值為14.113pm/℃。理論、實(shí)驗(yàn)和仿真得到了一致的結(jié)果。

為實(shí)現(xiàn)高速度、高精度的光纖光柵傳感解調(diào)，提出了一種基于狀態(tài)機(jī)的自適應(yīng)半峰檢測尋峰算法。算法通過對fbg反射波形的實(shí)時(shí)跟蹤確定波形數(shù)據(jù)，通過對波形數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析得到尋峰閾值，通過校驗(yàn)與補(bǔ)償精確得到峰值位置。實(shí)驗(yàn)測試表明，對于2khz的解調(diào)速度，解調(diào)分辨率達(dá)到1pm，靜態(tài)噪聲在±2pm以內(nèi)，長時(shí)間測試的穩(wěn)定性誤差在2pm以內(nèi)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍在0～-30db，光功率衰減導(dǎo)致的穩(wěn)定性誤差在4pm以內(nèi)。這表明，本算法從速度、精度、抗干擾性、穩(wěn)定性等方面都能夠滿足高速解調(diào)的需要。

兩電流產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵的布拉格波長漂移。通過檢測兩個(gè)布拉格光柵的波長漂移差,得到被測電流。雙光纖布拉格光柵通過補(bǔ)償溫度效應(yīng),解決了光纖布拉格光柵傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保光纖光柵在傳感過程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對測量結(jié)果的影響,從而減少了測量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為0.097nm/a,與理論值的相對誤差為3.38%,結(jié)果表明該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

研究了單模光纖布拉格光柵的偏振相關(guān)損耗(pdl)特性。運(yùn)用耦合模理論和瓊斯(jones)矩陣提出了反射光的有效偏振相關(guān)損耗(pdleff),并模擬了其隨光柵參數(shù)和雙折射量的變化性質(zhì)。光柵反射光的偏振相關(guān)損耗在反射譜的帶邊處明顯地表現(xiàn)出來,特別是帶邊比較陡峭時(shí)。結(jié)果表明,光柵的有效偏振相關(guān)損耗明顯地依賴于光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和雙折射量。光柵的有效偏振相關(guān)損耗隨光柵長度和調(diào)制深度的增加急劇增大。對于給定光柵長度和調(diào)制深度的光柵,光柵雙折射量小于2×10-5時(shí),光柵的有效偏振相關(guān)損耗隨雙折射的增大迅速增大;光柵雙折射量大于2.5×10-4時(shí),光柵的有效偏振相關(guān)損耗的兩個(gè)主峰的寬度變大并在其上有子峰,隨雙折射的繼續(xù)增大,兩主峰間距增大而子峰變小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬基本吻合。

基于光纖光柵傳感技術(shù),采用光纖光柵應(yīng)變計(jì)、光纖光柵溫度計(jì)、光纖光柵位移計(jì)對一座既有預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板橋的靜、動(dòng)載試驗(yàn)進(jìn)行了測試;對比分析了傳統(tǒng)傳感技術(shù)與光纖光柵傳感技術(shù)的測試結(jié)果。結(jié)果表明:傳統(tǒng)傳感器和光纖傳感器實(shí)橋測量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果均能吻合,均能夠反映出橋梁的實(shí)際受力狀態(tài);且光纖光柵傳感器可以真實(shí)反映加載的整個(gè)過程,實(shí)現(xiàn)加載過程的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)控。

采用數(shù)值模擬的方法研究了光纖布拉格光柵(fbg)的非線性雙穩(wěn)開關(guān)特性。從耦合模理論出發(fā),利用jacobi橢圓函數(shù)法得到了3種不同的解,首先對3種解下的非線性雙穩(wěn)開關(guān)特性分別進(jìn)行比較,然后針對各個(gè)解下的影響開關(guān)特性的失諧量、耦合系數(shù)和光柵長度等參數(shù)進(jìn)行分析,研究結(jié)果對于分析和構(gòu)建非線性雙穩(wěn)fbg光開關(guān)具有一定的意義。

從布拉格光柵方程出發(fā),理論上分析了在溫度、應(yīng)變雙參量同時(shí)測量時(shí),考慮溫度-應(yīng)變交叉靈敏度、二階應(yīng)變靈敏度和二階溫度靈敏度情況下,溫度和應(yīng)變測量的誤差的一般數(shù)學(xué)公式.結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了溫度和應(yīng)變的誤差計(jì)算,得出3個(gè)二階靈敏度在不同的溫度變化、應(yīng)變范圍內(nèi)對測量誤差的貢獻(xiàn)不同.同時(shí)給出了波長的漂移量與溫度、應(yīng)變呈線性關(guān)系時(shí),溫度變化和應(yīng)變的范圍.

提出了基于可調(diào)激光器和聲光脈沖調(diào)制的光纖布拉格光柵(fbg)傳感系統(tǒng),同時(shí)利用摻鉺光纖放大器(edfa)和拉曼放大相結(jié)合的放大方案大幅度提高了光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)的傳輸距離,達(dá)到了300km的超長距離傳感。該系統(tǒng)通過前端的edfa和末端的拉曼泵浦光源來補(bǔ)償光纖布拉格光柵反射的光功率。系統(tǒng)在低于275km長度時(shí)獲得了大于15db的優(yōu)良信噪比;在300km處獲得了4db的信噪比,以及明顯的反射信號(hào)。系統(tǒng)在100,200,250,300km處的靜態(tài)應(yīng)變實(shí)驗(yàn)中,線性度均達(dá)到了0.999以上。系統(tǒng)可望在鐵道、輸油(氣)管道、海岸線等的超長距離遙測中得到廣泛應(yīng)用。

針對傳統(tǒng)骨骼形變監(jiān)測技術(shù)中存在的傳感器尺寸較大,易受電磁干擾,不易實(shí)現(xiàn)體內(nèi)長期監(jiān)測等不足,采用光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,fbg)作為骨骼形變監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)原理及應(yīng)用方式.基于fbg應(yīng)力傳感原理,將不同中心波長的fbg粘貼于清理干凈的肋骨上進(jìn)行載荷實(shí)驗(yàn),隨后將采集的布拉格波長換算成形變,實(shí)時(shí)顯示骨骼受載荷時(shí)的形變趨勢.實(shí)驗(yàn)采用在多點(diǎn)粘貼f3g的方式,避免了溫度、應(yīng)變交叉?zhèn)鞲械膯栴}.實(shí)驗(yàn)表明,粘貼在豬肋骨上的fbg的波長變化與該位置受力產(chǎn)生的彎曲形變具有明顯的線性對應(yīng)關(guān)系,光纖光柵譜峰漂移隨骨骼撓度變化的靈敏度可達(dá)39.00525pm/mm.實(shí)驗(yàn)結(jié)果對發(fā)展微型、實(shí)時(shí)、集成骨骼健康監(jiān)控具有一定的參考意義.

推導(dǎo)并驗(yàn)證了非啁啾取樣光纖布拉格光柵(sfbg)反射譜中反射峰值波長的表達(dá)式?；诜N子光柵中心波長對應(yīng)的折射率調(diào)制深度和取樣光纖布拉格光柵折射率調(diào)制函數(shù)的傅里葉級數(shù)展開式,提煉出取樣光纖布拉格光柵的折射率調(diào)制深度和各階光柵周期,從而導(dǎo)出其反射峰值波長的表達(dá)式。由于考慮了占空比、取樣周期等取樣光纖布拉格光柵的結(jié)構(gòu)參量,因而表達(dá)式能夠描述反射峰的分布。仿真實(shí)驗(yàn)中,不同占空比或取樣周期下計(jì)算出的反射峰值波長、信道間隔符合數(shù)值反射譜。該表達(dá)式既適用于均勻取樣光纖布拉格光柵,也適用于交流切趾和交直流切趾取樣光纖布拉格光柵。

載流導(dǎo)線在磁場中產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵(fbg)的布拉格波長漂移。通過檢測2個(gè)fbg的波長漂移差,得到被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。雙fbg通過補(bǔ)償溫度效應(yīng),解決了fbg傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保fbg在傳感過程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對測量結(jié)果的影響,從而減少了測量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為1.11nm/t,與理論值的相對誤差為4.31%,結(jié)果表明,該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

文中介紹了光纖布拉格光柵的原理;根據(jù)耦合模方程,介紹了幾種光柵的仿真方法;分別以光纖布拉格光柵濾波器、色散補(bǔ)償器、相移光柵和采樣光柵為例說明了光纖光柵的設(shè)計(jì)方法。

在對光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感原理分析的基礎(chǔ)上,提出了一種易實(shí)用化的,能夠?qū)崿F(xiàn)武器彈丸炮口初速測試的方法,介紹了系統(tǒng)的基本組成,對光柵布拉格傳感器彈丸炮口速度測試原理和方法進(jìn)行了分析.和傳統(tǒng)的測試方法比較,該測試方法能夠?qū)崟r(shí)連續(xù)測量火炮發(fā)射時(shí)每發(fā)彈丸的炮口初速,可以用于彈藥可編程引信的實(shí)時(shí)裝定,提高空爆彈藥的殺傷力,也可以用于對火炮身管壽命的分析.

根據(jù)耦合模理論,數(shù)值模擬了多模光纖布拉格光柵的傾斜角度對纖芯基模向纖芯高階模式的轉(zhuǎn)換問題.反射光譜的數(shù)值計(jì)算中,假定只有l(wèi)p01模式激發(fā)情況下lp01模式與lp11模式的轉(zhuǎn)換。

利用有限元法對一種柚子型光子晶體光纖中的傳輸模式進(jìn)行了模擬,得到了各傳輸模式的有效折射率和模場分布。結(jié)合耦合模理論和相關(guān)函數(shù)方法,對柚子型光子晶體光纖布拉格光柵反射譜進(jìn)行了理論分析,解釋了柚子型光纖光柵出現(xiàn)多個(gè)諧振峰的原因;數(shù)值分析了光纖纖芯直徑和空氣孔尺寸對光柵傳輸譜的影響。結(jié)果表明諧振峰波長隨纖芯直徑的增大向長波方向漂移,而隨空氣孔增大向短波方向移動(dòng),并且不同諧振模式的變化幅度不同;利用相位模板法寫制了光子晶體光纖光柵,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析能夠很好地吻合。

光纖傳感器作為一種線性的測試儀器,應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域時(shí),較傳統(tǒng)傳感器有更多的優(yōu)越性和更加廣泛的應(yīng)用前景。介紹了光纖bragg傳感器的工作原理及應(yīng)用,并通過混凝土試件的加載試驗(yàn),對fbg應(yīng)變傳感器和電阻應(yīng)變計(jì)量測混凝土的應(yīng)變測量進(jìn)行了比較。提出準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器在現(xiàn)場應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)室中將得到更加廣泛的應(yīng)用。

介紹了現(xiàn)行光纖布拉格光柵(fbg)測試技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域、傳感原理以及常用的封裝方式,探索將fbg用于季節(jié)凍土路基這種隱蔽工程應(yīng)變檢測中的適應(yīng)性。主要工作有:(1)基于fbg測試技術(shù)的植入梁方法,在傳感器布設(shè)方面,根據(jù)不同測試對象提出了兩種封裝布設(shè)方式:淺置短距離半柔性探測桿和深置長距離半剛性探測桿兩種封裝布設(shè)方式;(2)針對現(xiàn)場測試需要,對電源、光纖傳感器、數(shù)據(jù)采集及分析等整套現(xiàn)場測試系統(tǒng)進(jìn)行了比較優(yōu)選;(3)選擇兩處季節(jié)凍土路基作為埋設(shè)場地并開展為期1a的觀測。測試結(jié)果表明:fbg在-20~30℃的溫差范圍內(nèi)保證了很高的存活率,所提出并實(shí)現(xiàn)的季節(jié)凍土路基應(yīng)變測試系統(tǒng)具有較高的測試靈敏度和可靠性。該套測試系統(tǒng)為隱蔽工程的物理性質(zhì)指標(biāo)測試提供了新的技術(shù)手段。

介紹了現(xiàn)行光纖布拉格光柵（fbg）測試技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域、傳感原理以及常用的封裝方式,探索將fbg用于季節(jié)凍土路基這種隱蔽工程應(yīng)變檢測中的適應(yīng)性。主要工作有：（1）基于fbg測試技術(shù)的植入梁方法,在傳感器布設(shè)方面,根據(jù)不同測試對象提出了兩種封裝布設(shè)方式：淺置短距離半柔性探測桿和深置長距離半剛性探測桿兩種封裝布設(shè)方式;（2）針對現(xiàn)場測試需要,對電源、光纖傳感器、數(shù)據(jù)采集及分析等整套現(xiàn)場測試系統(tǒng)進(jìn)行了比較優(yōu)選;（3）選擇兩處季節(jié)凍土路基作為埋設(shè)場地并開展為期1a的觀測。測試結(jié)果表明：fbg在-20~30℃的溫差范圍內(nèi)保證了很高的存活率,所提出并實(shí)現(xiàn)的季節(jié)凍土路基應(yīng)變測試系統(tǒng)具有較高的測試靈敏度和可靠性。該套測試系統(tǒng)為隱蔽工程的物理性質(zhì)指標(biāo)測試提供了新的技術(shù)手段。