干涉型光纖水聽器虛擬檢測軟件設(shè)計和實現(xiàn)

利用溫度對相位調(diào)制的全光纖mach-zehnder結(jié)構(gòu)型溫度傳感器,采用ccd攝像頭與小型電視連接的辦法來觀察干涉條紋的移動,并給出溫度變化與干涉條紋移動數(shù)的關(guān)系,以及敏感長度與靈敏度的關(guān)系,進(jìn)一步了解干涉儀作為溫度傳感器的參數(shù)特性及其作為一臺測量儀器的定標(biāo)。

介紹了數(shù)字式干涉型光纖傳感器高倍數(shù)條紋細(xì)分實現(xiàn),針對由于基本辨向電路的辨向分辨率低限制了細(xì)分倍數(shù)的問題,提出了一種新的辨向電路.仿真結(jié)果證明,這種新的辨向電路能夠?qū)崿F(xiàn)高倍數(shù)的辨向分辨率,滿足了數(shù)字式干涉型光纖傳感器高倍數(shù)條紋細(xì)分實現(xiàn)的要求,且可適用于傳統(tǒng)莫爾光柵細(xì)分技術(shù).

當(dāng)前,光纖水聽器陣列的多路復(fù)用技術(shù)已成為研究的重要課題之一,而時分復(fù)用(tdm)技術(shù)被認(rèn)為是最簡單有效的方案。本文詳細(xì)介紹了8路光纖水聽器高速時分復(fù)用系統(tǒng)的設(shè)計過程。分析比較了梯形式及平行式兩種光路結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn),并得出最佳光路方案。選擇ti公司生產(chǎn)的tms320f206芯片作為系統(tǒng)控制核心,采用ad公司新出的采樣頻率達(dá)1m的16位ad7677作為a/d轉(zhuǎn)換器,設(shè)計出8路光纖水聽器高速時分復(fù)用系統(tǒng),測試結(jié)果表明系統(tǒng)通道間串?dāng)_在-30db左右。對水聽器陣列時分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展具有相當(dāng)?shù)膮⒖純r值和借鑒意義。

利用2×2熔融拉錐型光纖耦合器,提出構(gòu)建雙m-z干涉系統(tǒng)方案,分析了熔融拉錐耦合器參數(shù)特性對雙m-z干涉系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響以及干涉臂輸出光強(qiáng)特性。該實驗系統(tǒng)低頻振動周期為3±0.32min,系統(tǒng)漂移速率為2.82rad/min。

為直接測量霍普金森壓桿加載下試樣徑向應(yīng)變位移,提出了一種穩(wěn)幅輸出的新型全光纖位移干涉技術(shù)。該技術(shù)采用半導(dǎo)體光放大器與摻餌光纖放大器的組合對來自試樣表面的反射光進(jìn)行動態(tài)飽和式放大。理論研究表明,該新型全光纖位移干涉儀能夠輸出振幅穩(wěn)定的干涉信號,消除試樣表面反射光強(qiáng)變化對位移測量精度的影響。實驗結(jié)果表明,新型全光纖位移干涉儀能夠?qū)崿F(xiàn)對霍普金森壓桿加載下試樣彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變的高精度非接觸測量。

設(shè)計了芯間距較小的特殊結(jié)構(gòu)四芯光纖,可用于生成格子光場或用于制作光纖傳感器.研究了在采用相干長度較短的ld光源的情況下,經(jīng)過一段既彎曲又扭轉(zhuǎn)的四芯光纖遠(yuǎn)程傳輸后的纖端光場干涉特性.基于疊加原理,出射光場可視為每個獨(dú)立纖芯的多光源相干疊加和圓孔衍射調(diào)制共同作用的結(jié)果,推導(dǎo)了相應(yīng)的理論公式,給出了四芯光纖遠(yuǎn)場干涉的理論與實驗相一致的結(jié)果.對光纖彎曲所導(dǎo)致的光程差累積和偏振態(tài)衰變效應(yīng)進(jìn)行了分析和討論,并給出了相應(yīng)的實驗結(jié)果.

提出了一種新的基于薄芯光纖模態(tài)干涉技術(shù)的光纖曲率傳感器。在單模光纖的中間部分插入薄芯光纖用于傳感光路,沒有插入薄芯光纖的單模光纖用于參考光路,以消除環(huán)境對曲率測量的影響。由于插入的薄芯光纖和單模光纖纖芯失配,導(dǎo)致包層的高次模被激發(fā),并與纖芯模在單模光纖內(nèi)形成干涉。當(dāng)改變薄芯光纖的曲率時,沿纖芯和包層傳播的模態(tài)和光纖長度會發(fā)生改變,使得干涉谷峰發(fā)生平移。將傳感光纖的兩端固定的平移臺上,當(dāng)調(diào)節(jié)平移臺距離時,薄芯光纖的曲率發(fā)生改變,導(dǎo)致干涉谷峰向短波方向平移。通過觀察谷峰的平移距離可以實現(xiàn)曲率的傳感測量。實驗表明,該裝置具有低損耗、低成本和高靈敏度的特點(diǎn)。

為直接測量霍普金森壓桿加載下試樣徑向應(yīng)變位移,提出了一種穩(wěn)幅輸出的新型全光纖位移干涉技術(shù)。該技術(shù)采用半導(dǎo)體光放大器與摻餌光纖放大器的組合對來自試樣表面的反射光進(jìn)行動態(tài)飽和式放大。理論研究表明,該新型全光纖位移干涉儀能夠輸出振幅穩(wěn)定的干涉信號,消除試樣表面反射光強(qiáng)變化對位移測量精度的影響。實驗結(jié)果表明,新型全光纖位移干涉儀能夠?qū)崿F(xiàn)對霍普金森壓桿加載下試樣彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變的高精度非接觸測量。

光纖水聽器探頭是光纖水聽器系統(tǒng)的基礎(chǔ)。分析了直桿式光纖水聽器探頭的靜力靈敏度,基于薄板小撓度彎曲理論導(dǎo)出了其靜力靈敏度計算的解析公式,討論了光纖水聽器探頭靈敏度的影響因素,并且利用ansys進(jìn)行了模擬分析,數(shù)值解與解析解比較吻合。

光纖水聽器具有靈敏度高、抗電磁干擾、水密性好等諸多優(yōu)越的特性,被廣泛研究并獲得了迅速的發(fā)展,已在潛艇、水面艦艇、魚雷等軍事目標(biāo)的探測,以及海洋水聲物理研究、石油勘探等方面發(fā)揮了重要的作用。近年來,我們課題組研究的全保偏干涉型光纖水聽器陣列技術(shù)取得了系列成果,但高頻混疊是進(jìn)一步發(fā)展必須解決的一個關(guān)鍵問題。雖然,通過提高系統(tǒng)的工作帶寬能一

光纖水聽器(foh)探頭技術(shù)是foh系統(tǒng)的基礎(chǔ),探頭的動力特性直接影響水聽器動態(tài)響應(yīng)的幅頻特性、響應(yīng)范圍和帶寬。分析了直桿式foh探頭的自由振動特性,用rayleigh法導(dǎo)出了其基頻計算的理論公式,全面地分析了foh探頭基頻的影響因素,并利用ansys對其前幾階固有頻率和模態(tài)進(jìn)行了模擬分析?；l的數(shù)值模擬結(jié)果與理論計算結(jié)果比較吻合,最大偏差為5.05%?；l理論計算公式對水聽器探頭的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

介紹了一種基于顯微干涉的光纖連接器端面的測試系統(tǒng),干涉儀由mirau干涉物鏡和鏡筒透鏡組成,ccd相機(jī)采集干涉圖樣,經(jīng)處理后得到相位分布圖.采用carre相位提取算法,無需進(jìn)行特定步長的相移.對光纖連接器端面的表面形貌、曲率半徑、頂點(diǎn)偏移進(jìn)行測量,測量系統(tǒng)的橫向分辨率可達(dá)到0.9μm,重復(fù)性測量精度為9.5nm.

通過改進(jìn)光纖定向耦合器的結(jié)構(gòu),可以顯著提高光纖速度干涉儀的靈敏度。該文從熔融拉錐型光纖定向耦合器的數(shù)學(xué)模型出發(fā)進(jìn)行研究,詳細(xì)分析了2×2和3×3型光纖定向耦合器在全光纖速度干涉儀(afvisar)中的具體作用,并對此兩種結(jié)構(gòu)的光纖速度干涉儀的性能(主要是靈敏度)的優(yōu)劣進(jìn)行了對比分析,表現(xiàn)出3×3型光纖定向耦合器構(gòu)成的兩端探測系統(tǒng)的優(yōu)越性。最后提出采用n×n型光纖定向耦合器可能帶來的光纖速度干涉儀性能的提高和適用局限性。

光纖水聽器探頭是光纖水聽器系統(tǒng)的基礎(chǔ)。分析了直桿式光纖水聽器探頭的自由振動特性,用rayleigh法導(dǎo)出了其基頻計算的理論公式,討論了光纖水聽器探頭基頻的影響因素,并且利用ansys對其前幾階固有頻率和模態(tài)進(jìn)行了模擬分析,數(shù)值結(jié)果與解析解比較吻合。

對應(yīng)用于安全防范、石油管道監(jiān)測的干涉型光纖傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行分析,由于系統(tǒng)使用單模光纖,導(dǎo)致兩干涉臂輸出偏振態(tài)變化不一致,使得系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性降低.為此,對光纜設(shè)計以及成纜技術(shù)對系統(tǒng)輸出偏振態(tài)變化的機(jī)理進(jìn)行研究,建立了數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行仿真計算并通過環(huán)境模擬實驗驗證理論模型,為系統(tǒng)的光纜設(shè)計提供了理論依據(jù).

介紹了法布里-珀羅干涉型光纖水聽器的工作原理,指出了工作點(diǎn)的選擇依據(jù)及系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。繪制了理想情況下光纖法布里-珀羅干涉的諧振曲線。用光彈學(xué)理論分析了光纖的應(yīng)力雙折射問題和諧振腔內(nèi)模式分裂問題。用模式分裂的原理解釋了水聽器的諧振曲線畸變現(xiàn)象,提出了描述諧振曲線畸變的數(shù)學(xué)公式,用mathcad軟件仿真了模式分裂后水聽器的干涉過程并繪制了理論曲線。用實驗方法測量并記錄了模式簡并及分裂條件下各種諧振曲線的形狀,通過實驗照片與仿真曲線進(jìn)行對比,理論仿真與實驗結(jié)果吻合,這說明用光纖模式分裂理論解釋諧振曲線畸變現(xiàn)象是可行的。

基于多模干涉效應(yīng)的單模-多模-單模(sms)結(jié)構(gòu)光纖折射率傳感器通常需要進(jìn)行包層腐蝕來提高靈敏度,而且易受環(huán)境溫度影響。為克服sms結(jié)構(gòu)的這些不足,提出了一種新型的基于纖芯失配多模干涉的光纖折射率傳感器,由單模光纖-色散補(bǔ)償光纖-單模光纖(smf-dcf-smf)級聯(lián)光纖布拉格光柵(fbg)構(gòu)成,長度不超過100mm。對其靈敏度、線性范圍和溫度特性等進(jìn)行了測試,實驗結(jié)果顯示在測量折射率為1.33～1.39的折射率液時,特征波長與折射率呈線性關(guān)系,靈敏度為232.8nm,級聯(lián)的fbg具有良好的溫度校準(zhǔn)功能。

一種基于光纖mach森德干涉的新型磁場傳感器（mzi）的涂磁流體（mf）提出。mzi組成標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（smf）兩個球形結(jié)構(gòu)。的干涉波長和功率的傳感結(jié)構(gòu)是敏感的外部的折射率（國際扶輪）。由于ri的mf對磁場敏感，磁場的測量可以通過檢測干涉譜的變化來實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明，隨著磁場強(qiáng)度的增加，干涉傾角的波長和功率都隨著磁場強(qiáng)度的增加而增大。

雙干涉光纖陀螺是一種新型光纖陀螺,可加倍sagnac信號,具有輕小型、高信噪比的優(yōu)點(diǎn).為改善雙干涉光纖陀螺光纖環(huán)的溫度性能,針對其光路建立了光纖環(huán)溫度致非互易誤差模型,仿真分析了光纖環(huán)中90°熔點(diǎn)位置對溫度致非互易誤差的影響,提出了將90°熔點(diǎn)置于光纖環(huán)中點(diǎn)時陀螺的溫度致非互易誤差將顯著減小,并進(jìn)行了實驗驗證,實驗結(jié)果與理論分析相符.結(jié)果表明將90°熔點(diǎn)置于光纖環(huán)中點(diǎn)可使雙干涉光纖陀螺的溫度致非互易誤差降低為原來的1/400.

針對已有線寬檢測方法在窄線寬激光器測量中存在的缺陷,提出一種利用非平衡光纖干涉儀相位噪聲測量并計算線寬的方法。理論分析了短程差非平衡干涉儀相位噪聲與窄線寬激光器的光頻噪聲的關(guān)系,得到了激光器的光波功率頻譜和線寬。利用臂差為10m的光纖干涉儀對窄線寬分布反饋激光器進(jìn)行測量,結(jié)果表明激光器光波功率譜有近似的洛倫茲線型且線寬為5.4khz,與5khz的理論值相近。窄線寬光纖環(huán)形腔激光器的線寬測量結(jié)果為0.75khz,比用零拍法測量到的同類型激光器低于1.5khz的結(jié)果更精確。

雙芯光纖馬赫-曾德爾干涉儀的溫度特性

針對分布反饋式(dfb)光纖激光器用于水聲探測時頻響曲線起伏較大的問題,設(shè)計了一種開孔套管式封裝結(jié)構(gòu)。通過對dfb激光器的封裝,使其張緊后被聚氨酯固定于開孔套筒的中心軸線上,利用開孔套管的保護(hù)作用以及施加于光纖激光器兩端的拉力來抑制水聲探測過程中頻響曲線的起伏?；谟邢拊浖nsys對封裝結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性進(jìn)行了數(shù)值仿真計算,然后加工制作了開孔套管結(jié)構(gòu)封裝的dfb光纖激光水聽器原型樣品,并利用振動液柱法進(jìn)行了測試。試驗結(jié)果顯示,dfb光纖激光水聽器在20～800hz的聲壓靈敏度達(dá)到-131db左右,靈敏度起伏不高于±1.5db,表明通過該封裝結(jié)構(gòu)的保護(hù)及聚氨酯的張緊作用,有效抑制了頻響曲線的起伏,改善了dfb光纖激光水聽器的水聲探測性能。