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多环形腔组合瑞利后向散射式光纤转动传感器

作　者: 刘艳磊
导　师: 苑立波
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 光纤转动传感器瑞利后向散射多环形腔光时域反射计(OTDR)
分类号: TP212
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
下　载: 134次
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内容摘要

光纤转动传感器用于检测目标相对于某一轴转动的角速度，在工业生产和科学实验中有着广泛的应用。瑞利后向散射式光纤转动传感器是由A．Kung等人于1997年首次提出的，它是基于单模光纤环形腔的后向散射特性，属于非干涉式光纤转动传感器。这种环形结构独有的特点是，当发生瑞利后向散射时，光脉冲信号可以在环形腔中循环一段时间。光时域反射计(OTDR)发出的光脉冲信号沿途产生瑞利后向散射信号，回到OTDR的散射信号强度为同一点散射信号的相干叠加与不同点散射信号的非相干叠加之和。本文在对前人提出的瑞利后向散射式光纤转动传感器作充分研究之后，利用多个光纤环形腔，构建了多种环形腔组合瑞利后向散射式光纤转动传感器新结构，力求找到比单环测量转速精度更高的组合结构。本论文围绕着所提出的多种组合新结构的输出特性、系统的可行性和其优越性展开深入研究，并选择三环的长度分别为1500m、1078m和680m，四个2×2光纤耦合器的耦合系数分别为95．23％、94．88％、95．26％和95．01％构建了测试系统，主要工作可概括如下：(1)分析了瑞利后向散射式光纤转动传感器的工作原理，计算了单环瑞利后向散射式光纤转动传感器的输出光强。(2)建立了多环形腔组合瑞利后向散射式光纤转动传感器的理论模型。基于单环瑞利后向散射式光纤转动传感器原理，推导了各种组合结构输出散射信号强度的表达式。(3)通过计算机仿真理论模型，给出了各种组合结构瑞利后向散射式光纤转动传感器信号的输出特性，同时改变环长和分光比两结构参数，对比了信号的输出特性，并对结果进行了分析，对结构系数进行了优化。(4)根据优化得到的结构参数，构建了双环并联、双环复合、三环串并联、三环复合的瑞利后向散射式光纤转动传感器测试系统，并对系统的各种结构进行了标定与测试，对测试结果进行了分析与处理，验证了系统的可行性，并同单环系统进行了比较，使系统性能得到了不同程度的改善。多环形腔组合瑞利后向散射式光纤转动传感器同单环相比，增加了测试的有效数据，使其更有利于识别，对于双环和三环复合结构的转动传感器还提高了测量信号的强度，提高了测量转速的精度。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-22
  1.1 引言  12-13
  1.2 光纤转动传感器  13-18
    1.2.1 光纤转动传感器的分类  13-15
    1.2.2 瑞利后向散射  15-17
    1.2.3 瑞利后向散射式光纤转动传感器的研究现状  17-18
  1.3 本论文的选题意义和研究内容  18-22
第2章瑞利后向散射式光纤转动传感器的工作原理  22-29
  2.1 光纤环形腔旋转时输出强度  22-27
  2.2 光纤环形腔静止时输出强度  27-28
  2.3 本章小结  28-29
第3章多环形腔组合方案  29-57
  3.1 双环串联结构  29-32
    3.1.1 双环串联正向交叠  29-31
    3.1.2 双环串联反向交叠  31-32
  3.2 双环并联结构  32-39
    3.2.1 利用单模光纤3×3耦合器并联双环  32-35
    3.2.2 利用3个单模光纤2×2耦合器并联双环  35-36
    3.2.3 利用2个单模光纤2×2耦合器并联双环  36-39
  3.3 双环复合  39-42
  3.4 多环结构  42-56
    3.4.1 串联结构  42-44
    3.4.2 并联结构  44-46
    3.4.3 串并联结构  46-51
    3.4.4 复合结构  51-56
  3.5 本章小结  56-57
第4章参量优化模拟  57-82
  4.1 瑞利后向散射式光纤转动传感器的输出特性  57-59
  4.2 双环串联结构  59-61
  4.3 双环并联结构  61-66
    4.3.1 利用单模光纤3×3耦合器并联双环  61-63
    4.3.2 利用3个单模光纤2×2耦合器并联双环  63-64
    4.3.3 利用2个单模光纤2×2耦合器并联双环  64-66
  4.4 双环复合  66-68
  4.5 多环结构  68-81
    4.5.1 串联结构  68-71
    4.5.2 并联结构  71-74
    4.5.3 串并联结构  74-77
    4.5.4 复合结构  77-81
  4.6 本章小结  81-82
第5章系统标定与测试  82-94
  5.1 测试系统  82-84
    5.1.1 系统的组成  82-83
    5.1.2 系统的标定  83-84
  5.2 信号处理方法  84-86
    5.2.1 信号的读取  84-85
    5.2.2 信号的转换  85-86
    5.2.3 信号的处理  86
  5.3 系统的测试结果  86-93
    5.3.1 双环并联结构  86-88
    5.3.2 双环复合结构  88-90
    5.3.3 三环串并联结构  90-91
    5.3.4 三环复合结构  91-93
  5.4 本章小结  93-94
第6章测试系统的分析  94-111
  6.1 噪声分析与降噪技术  94-96
    6.1.1 噪声分析  94-95
    6.1.2 降噪技术  95-96
  6.2 误差分析  96-97
  6.3 光源强度起伏对信号的影响  97-98
  6.4 传输过程中偏振态的变化对信号的影响  98-100
  6.5 环境条件对系统输出的影响  100-109
    6.5.1 温度对系统输出的影响  100-109
    6.5.2 振动对系统输出的影响  109
  6.6 本章小结  109-111
结论  111-115
参考文献  115-124
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  124-125
致谢  125-126
个人简历  126

多环形腔组合瑞利后向散射式光纤转动传感器

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