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濾波器的工作機理和特點,并介紹了基于arm實現(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。采用三星公司的s3c44box對經(jīng)過可調(diào)諧f-p腔解調(diào)后的波長信息進行采集,并對得到的數(shù)據(jù)進行處理。實驗結(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、信號波峰檢測、高斯曲線擬合以及加權(quán)波長計算等關(guān)鍵步驟來實現(xiàn)波長解調(diào)技術(shù),進而完成溫度、應變、壓力或位移等對象的在線測量,并且可以實現(xiàn)光纖線路故障分析與定位的功能。實驗結(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行了數(shù)學推導,得到了布拉格光纖光柵的光譜反射率表達式。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,消除各信號間的相互串擾,提高傳感光柵復用數(shù)目,降低解調(diào)系統(tǒng)成本。

基于光波導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行了分析研究。最后得到了fbg的歸一化反射率的表達式,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。實驗結(jié)果也證明增大sri(小于包層介質(zhì)折射率)或者增大fbg的腐蝕程度都會使光纖纖芯中的傳輸能量減小,增強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,分析了鍍nifbg溫度變化時的應力應變,從理論上推導出鍍nifbg的溫度靈敏度公式并通過實驗進行了驗證,用理論證明了鍍nifbg的波長漂移、應力和應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在溫度變化時的應力應變進行了仿真。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/℃,實驗值為14.113pm/℃。理論、實驗和仿真得到了一致的結(jié)果。

為實現(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)機的自適應半峰檢測尋峰算法。算法通過對fbg反射波形的實時跟蹤確定波形數(shù)據(jù)，通過對波形數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析得到尋峰閾值，通過校驗與補償精確得到峰值位置。實驗測試表明，對于2khz的解調(diào)速度，解調(diào)分辨率達到1pm，靜態(tài)噪聲在±2pm以內(nèi)，長時間測試的穩(wěn)定性誤差在2pm以內(nèi)，系統(tǒng)動態(tài)范圍在0～-30db，光功率衰減導致的穩(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償溫度效應,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。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,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,光柵的有效偏振相關(guān)損耗的兩個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。實驗結(jié)果與理論模擬基本吻合。

基于光纖光柵傳感技術(shù),采用光纖光柵應變計、光纖光柵溫度計、光纖光柵位移計對一座既有預應力鋼筋混凝土空心板橋的靜、動載試驗進行了測試;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橋測量結(jié)果與計算結(jié)果均能吻合,均能夠反映出橋梁的實際受力狀態(tài);且光纖光柵傳感器可以真實反映加載的整個過程,實現(xiàn)加載過程的實時連續(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)特性分別進行比較,然后針對各個解下的影響開關(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、應變雙參量同時測量時,考慮溫度-應變交叉靈敏度、二階應變靈敏度和二階溫度靈敏度情況下,溫度和應變測量的誤差的一般數(shù)學公式.結(jié)合實驗數(shù)據(jù)進行了溫度和應變的誤差計算,得出3個二階靈敏度在不同的溫度變化、應變范圍內(nèi)對測量誤差的貢獻不同.同時給出了波長的漂移量與溫度、應變呈線性關(guān)系時,溫度變化和應變的范圍.

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償光纖布拉格光柵反射的光功率。系統(tǒng)在低于275km長度時獲得了大于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。系統(tǒng)在100,200,250,300km處的靜態(tài)應變實驗中,線性度均達到了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)測的實現(xiàn)原理及應用方式.基于fbg應力傳感原理,將不同中心波長的fbg粘貼于清理干凈的肋骨上進行載荷實驗,隨后將采集的布拉格波長換算成形變,實時顯示骨骼受載荷時的形變趨勢.實驗采用在多點粘貼f3g的方式,避免了溫度、應變交叉?zhèn)鞲械膯栴}.實驗表明,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關(guān)系,光纖光柵譜峰漂移隨骨骼撓度變化的靈敏度可達39.00525pm/mm.實驗結(jié)果對發(fā)展微型、實時、集成骨骼健康監(jiān)控具有一定的參考意義.

推導并驗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式?；诜N子光柵中心波長對應的折射率調(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,從而導出其反射峰值波長的表達式。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,因而表達式能夠描述反射峰的分布。仿真實驗中,不同占空比或取樣周期下計算出的反射峰值波長、信道間隔符合數(shù)值反射譜。該表達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fbg的波長漂移差,得到被測磁場的磁感應強度。雙fbg通過補償溫度效應,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、色散補償器、相移光柵和采樣光柵為例說明了光纖光柵的設(shè)計方法。

在對光纖布拉格光柵應變傳感原理分析的基礎(chǔ)上,提出了一種易實用化的,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連續(xù)測量火炮發(fā)射時每發(fā)彈丸的炮口初速,可以用于彈藥可編程引信的實時裝定,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.

作為一種新型智能傳感器件,光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,簡稱fbg)在傳感領(lǐng)域的應用越來越引起人們的重視。在光纖光柵制作方法中,相位模板法使光纖光柵的制作難度大大降低,其優(yōu)異的穩(wěn)定性使得工業(yè)化生產(chǎn)光纖光柵成為可能,要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn),其制作工藝尤為重要。采用常規(guī)通信單模光纖g.652,用相位掩模板和準分子激光器制作fbg。通過實驗對比,確定相位掩膜法制作fbg生產(chǎn)工藝參數(shù),為光纖光柵的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

為了安全可靠地建好每座大跨橋梁,就要對每座橋的施工過程進行安全監(jiān)測,傳統(tǒng)的安全監(jiān)測方法是采用電測技術(shù),由于抗電磁干擾性差等原因,測試的數(shù)據(jù)真實性差。筆者在布拉格光纖光柵的傳感原理、室內(nèi)懸臂梁試驗和埋設(shè)工藝的研究基礎(chǔ)上,成功地在黑大公路牛頭山大橋上布設(shè)了布拉格光纖光柵應變傳感器,為對比布拉格光纖光柵的監(jiān)測結(jié)果,埋設(shè)了應變磚測試混凝土的應變,監(jiān)測了該橋預應力混凝土連續(xù)梁先簡支后連續(xù)施工的全過程,施工監(jiān)測結(jié)果表明:布拉格光纖光柵監(jiān)測大橋施工結(jié)果準確、穩(wěn)定和可靠,同時證明該光纖光柵測試技術(shù)可以用于橋梁施工過程的安全監(jiān)測且結(jié)果明顯好于傳統(tǒng)的電測技術(shù)。

本文從理論上研究和分析了一種基于otdr和tdm技術(shù)的新型光纖布拉格光柵復用方法的復用能力。這種方法可以在同一根光纖上復用成百個全同的低反射率布拉格光柵,從而使布拉格光柵傳感器在航空航天健康監(jiān)測領(lǐng)域得到更廣泛的應用。分析表明,當布拉格光柵的反射率足夠低時,系統(tǒng)的復用能力可以大大提高。因此,基于這種復用方法,可以實現(xiàn)廉價的大規(guī)模分布傳感系統(tǒng)。在評價這種系統(tǒng)的復用能力時,我們第一次提出應該考慮光柵間多次反射光的干涉效應的影響。

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。

研究了具有高雙折射的光子晶體光纖(hbpcf)中均勻布拉格光柵(fbg)的光譜特性。利用緊湊的超格子模型,對光子晶體光纖的傳輸特性進行分析,研究正向傳輸和反向傳輸?shù)哪Ｊ街g的耦合規(guī)律,從而研究寫入光子晶體光纖中的均勻布拉格光柵的特性。首先給出具有c6v對稱性的零雙折射光子晶體光纖中光纖布拉格光柵的布拉格波長λb隨光纖結(jié)構(gòu)參量的變化規(guī)律;然后分析一種高雙折射光子晶體光纖中的光纖布拉格光柵的光譜特性,高雙折射使兩個不同偏振態(tài)的反射峰分開較大;最后分析了一種常用的雙模雙折射光子晶體光纖中光纖布拉格光柵的光譜特性,lp01模和lpe11模的兩個偏振態(tài)對應的反射譜都由于高雙折射而分開。