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基于F-P滤波器的光纤光栅传感解调技术的研究

作　者: 王杰
导　师: 黄勇林
学　校: 南京邮电大学
专　业: 光学工程
关键词: 光纤Bragg光栅传感器解调可调谐F-P滤波器自相关解调
分类号: TP212.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

光纤光栅(fiber grating)作为最近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一,在传感方面的应用研究引起了人们普遍的关注。作为传感器件,光纤光栅把被测参量的信号转化为其反射波长的偏移,既波长编码,因此可以不受光源的功率波动和系统损耗的影响。而如何对波长编码信号进行高精度的解调,是光纤光栅大规模推广和应用于实际的关键技术。本文主要对光纤Bragg光栅(FBG)传感系统进行研究,重点讨论了基于F-P滤波器的解调方案,在其基础上提出了基于F-P滤波器的自相关解调法,并在其基础上进行了改进。首先,分析了光纤传感器和光纤光栅传感器的技术特点,研究了光纤光栅传感器的现状以及其发展趋势,从光纤光栅和光纤光栅传感器的基本理论入手,建立了光纤光栅在温度和应力的影响下的传感模型。分析了可调谐F-P滤波器的基本原理以及主要参数,并通过数值仿真,得到不同参数对可调谐F-P滤波器的影响,从而为可调谐F-P滤波器的选择提供了理论依据。其次,分析并比较了光纤Bragg光栅传感网络的几种复用技术与常见的解调方案后,提出了可调谐F-P滤波器法。研究了可调谐F-P滤波器法的基本原理,通过理论的分析以及相应的数值仿真,得到了探测器接收光功率与可调谐滤波器带宽之间的关系以及探测器的测量灵敏度曲线。在基本原理的基础上,重点研究了基于可调谐F-P滤波器传感阵列,研究表明,当相邻光栅工作波长的间隔小于0.4nm时,会对解调系统的输出产生严重的影响,使得解调工作无法完成。该研究对解调系统中光栅的选取有着一定的指导意义。最后,针对可调谐F-P滤波器解调的不足,提出了基于F-P滤波器的自相关解调法,分析了其解调性能,并在其基础上进行了算法的进一步的改进,最后通过Matlab进行了数值仿真,验证了该方案不仅能够消除系统中相邻Bragg光栅波长选取对系统输出的消极影响,还能在很大程度上减小自相关解调带来的时延。此算法增加了传感解调系统的精确度与实时性,为实际应用提供了较好的理论依据。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-22
  1.1 光纤光栅传感技术综述  9-12
    1.1.1 光纤传感技术  9-10
    1.1.2 光纤光栅传感技术  10-12
  1.2 FBG传感器的复用技术  12-14
    1.2.1 波分复用技术  12
    1.2.2 时分复用技术  12-13
    1.2.3 空分复用技术  13
    1.2.4 复用方案的比较  13-14
  1.3 FBG传感器的解调技术  14-18
    1.3.1 光谱仪检测法  14-15
    1.3.2 匹配光栅法  15-16
    1.3.3 非平衡Mach-Zehnder光纤干涉仪法  16-17
    1.3.4 边缘滤波法  17
    1.3.5 可调谐F-P滤波法  17-18
    1.3.6 解调方案的比较  18
  1.4 光纤光栅传感器的研究现状及发展趋势  18-21
    1.4.1 研究现状  18-20
    1.4.2 发展趋势  20-21
  1.5 本论文的主要研究内容  21-22
第二章光纤Bragg光栅传感器基本原理  22-35
  2.1 光纤光栅的基本理论  22-31
    2.1.1 耦合模理论  22-29
    2.1.2 傅立叶变换法  29-30
    2.1.3 传输矩阵分析法  30-31
  2.2 光纤Bragg光栅的传感原理  31-33
    2.2.1 FBG的温度传感原理  31-32
    2.2.2 FBG的应变传感原理  32-33
  2.3 小结  33-35
第三章可调谐法布里-珀罗滤波器的基本原理  35-41
  3.1 光滤波器简介  35
  3.2 可调谐F-P滤波器的基本原理  35-38
  3.3 可调谐F-P滤波器的主要参数  38-39
  3.4 可调谐F-P滤波器选择  39-40
  3.5 小结  40-41
第四章基于可调谐F-P滤波器FBG传感阵列的研究  41-50
  4.1 可调谐F-P滤波器解调原理  41-42
  4.2 可调谐F-P滤波器解调的分析  42-45
  4.3 FBG传感列阵的研究  45-49
    4.3.1 FBG传感列阵的理论研究  47-48
    4.3.2 Matlab仿真及结论  48-49
  4.4 小结  49-50
第五章基于可调谐F-P滤波器的相关解调系统  50-60
  5.1 信号相关理论与相关函数  50
  5.2 相关解调原理及分析  50-56
    5.2.1 互相关解调  50-51
    5.2.2 自相关解调  51-53
    5.2.3 数值仿真  53-56
  5.3 相关解调系统的改进  56-59
  5.4 小结  59-60
第六章总结与展望  60-61
致谢  61-62
参考文献  62-65
攻读硕士学位期间发表论文  65

基于F-P滤波器的光纤光栅传感解调技术的研究

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