（通信与信息系统专业论文）编码式光纤布拉格光栅传感网络的研究与应用.pdf

武汉理：【：大学硕士学位论文 摘要 传感器有着非常“泛的应用领域，多年来一直是研究热点。光纤光栅传感器可以工作 在强屯磁场、高温有腐蚀性的以及有爆炸危险性的恶劣环境中，闪而比其它传感器有更，1 1 阔的应用范围。由于光纤光栅传感器采用数字式测量技术，具有精确度高、稳定性好、，f i 易受外界各种因数的= f 一扰等特点。但目前的光纤光栅传感技术受到系统检测容量过小的限 制，不能应用于大型复杂工程的监测使用。同时，由于一个系统中光纤光栅传感探头的数 量太少，使单个光纤光栅传感探头的成本太大，这也削弱了光纤光栅传感系统在市场中的 竞争力，如果能够增大系统的容量，单个光纤光栅传感探头的成本就会下降，从而使光纤 光栅这一先进的传感技术能够得到更广泛的应用。 本课题研制种编码式光纤光栅传感检测系统，该系统引入多维编码光纤光栅传感复 用新方法。在光纤的同一位嚣，制作两个或者两个以上不问波长的光纤御拉格光栅，称之 为编码式光纤光栅。利用编码式光纤光栅的布拉格波长对待测对象的位置和温度、应力、 应变等进行编码，当待测对象的环境参量发生变化时，与之对应的编码，即编码式光纤光 栅的布拉格波长随之同时同点发生变化，借以提高传感系统的容量，实现对特定对象( 如 油罐、油气管道、高压变电站等) 的温度以及应力、应变等的准分布式定点测量。 编码式光纤光栅能够在增加很少成本的基础上，提供与单光栅相比多数倍的信息量， 不仅可以实现利用一个传感器检测多个参量，而且将编码技术引入传感领域，将编码技术 与传感技术结合起来。光纤光栅传感技术具有极高的准确性和很好的长期稳定性，但光纤 光栅解调设备制造成本很高，限制了光纤光栅传感技术的应用。编码式光纤光栅的制作及 其在编码式光纤光栅检测系统中的应用，使其不仅能保持原有优点，而且大幅提高单个系 统的检测容量，从而为市场化应用打下坚实的基础。 本文涉及到信息、电学、材料等方面，主要做了以下工作： 1 分析现有的基于光纤光栅的传感复用技术，比较各种技术的容量、串扰等系统件能； 2 设计编码式光纤光栅传感网络，包括制备编码式f b g 传感阵列，适用于不同物理量测 量的波长解调系统的研究，设计寻址解码程序和通过信息融合技术实现被测物理现象 的重构； 3 使用金属化封装技术制备f b g 传感器，并通过实验证明其优于以往的传感特性； 4 提出一种适用于高瞬态量测量的双边缘滤波波长解调系统，并通过理论和实验两方面 证明其系统性能。 关键词：编码光纤布拉格光栅，传感复用技术，传感网络，信息融合，封装技术，波长解调 武汉理上人学硕士学位论文 a b s t r a c t s e n s o r sb e i n gw i d e l yu s e di nt h ew o r l da r e a l w a y st h er e s e a r c hh o t s p o t f i b e rb r a g g g r a t i n g s e n s o r sc a nw o r ki nt h ea r e ao f s t r o n ge l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，h i g ht e m p e r a t u r e ， c o r r u p t i v ea n de x p l o s i v eb a dc o n d i t i o n s ，t h e r e f o r eh a v em o r ea p p l i c a t i o n st h a no t h e rs e n s o r s i t t a k ed i g i t a lm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , h a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hp r e c i s i o n ，h i 曲s t a b i l i t y , i m m u n et oe n v i r o n m e n t a ld i s t u r b a n c eo fa l ls o r t so ff a c t o r s h o w e v e r , f i b e rb r a g gg r a t i n g s e n s i n gt e c h n o l o g yi nt h ep r e s e n th a s t h ed i s a d v a n t a g eo ft o os m a l ls y s t e m c a p a b i l i t yo fs e n s o r s ， t h i sl i m i t si t s a p p l i c a t i o n si ng r e a ta n dc o m p l i c a t e de n g i n e e r i n g i nt h e s o a n et i m e ，t h a tt h e q u a n t i t yo f s e n s o r si nt h i ss y s t e mi st o os m a l lm a k e st h ec o s tp e rs e n s o rt o oh i g h i ti m p a i r si t s c o n t e s ta b i l i t yi nm a r k e t s i fw ec a ni n c r e a s et h ec a p a b i l i t yo ft h i ss y s t e m t h ec o s to fas i n g l e s e n s o rw o u l d d e c r e a s e ，s om o r e a r e a sw i l lb e n e f i tf r o mi t su s e t h j sp a p e rs t u d yan e wk i n do f e n c o d i n gf i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s i n gs y s t e m 。i ti n t r o d u c e s an e wd i m e n s i o n se n c o d i n gf i b e rg r a t i n gs e n s i n gm u l t i p l e xm e t h o d ，a si st of a b r i c a t et w oo r m o r ef b g sw i t hd i f f e r e n tp e a kw a v e l e n g t hi nt l l es a m el o c a t i o no ft h ef i b e r , c a l l e de n c o d i n g f b g t h e b r a g gw a v e l e n g t h s o f t h ef b g sa r eu s e dt oe n c o d et h et e m p e r a t u r e 、s t r e s s 、p r e s s u r eo f t h ee n v i r o n m e n t a st h ee n v i r o n m e n tp a r a m e t e r s c h a n g e ，t h e c o d e sw h i c ha r et h eb r a g g w a v e l e n g t h so f t h ef b g sa c c o r d i n g l yc h a n g ei nt h es a m et i m ea n di nt h es a m e1 0 c a t i o n s oa st o i n c r e a s et h es y s t e mc a p a b i l i t y , r e a l i z et h em e a s u r e m e n to ft e m p e r a t u r es t r e s sa n dp r e s s u r ef o r s p e c i a le n g i n e e r i n g ( s u c h a so i l t a n k ，p o w e rs t a t i o n ，t u n n e l ) i n aw a yo f d i s t r i b u t i n g m e a s u r e m e n t e n c o d i n g f i b e rb r a g g g r a t i n g w i t haf e wm o r ec o s tc a np r o v i d es e v e r a lt i m e s o f i n f o r m a t i o na s s i n g l e f i b e r b r a g gg r a t i n g i t n o t o n l y c a nr e a l i z e m u l t i p l ep a r a m e t e r m e a s u r e m e n t ，b u ta l s oi n t r o d u c ee n c o d i n gt e c h n o l o g yi n t os e n s i n ga r e a s ，c o m b i n i n gt h es e n s i n g t e c h n o l o g y a n dt h e e n c o d i n gt e c h n o l o g yt o g e t h e r a l t h o u 【g h f i b e rb r a g g g r a t i n gs e n s i n g t e c h n o l o g y h a s h i g hp r e c i s i o n ，h i g hs t a b i l i t y o fl o n gt e r m ，t h ec o s to ft h ed e m o d u l a t i o n e q u i p m e n t i sv e r yh i g h i tl i m i t si t sa p p l i c a t i o n 1 1 1 ef a b r i c a t i o no fe n c o d i n gf i b e rb r a g gg r a t i n g a n dt h ei m p l e m e n t a t i o ni nt h ee n c o d i n gf i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s i n gs y s t e mm a k e s i tn o to n l y k e e pi t sa d v a n t a g eb u ta l s o i n c r e a s et h ec a p a b i l i t yo fs i n g l es y s t e m ，s oa s t o g e t as t r o n g b a s e m e n tf o rm a r k e ta p p l i c a t i o n t h i sd a p e rc o m ed o w nt om a t e r i a l 、o p t i c s 、m e c h a n i ca n de l e c t r i c s ，t h ec o n t r i b u t i o n so f t h i s p 印e r a r e ： 1 a n a l y z et h ee x i s t i n gm u l t i p l e s e n s et e c h n o l o g yb a s e do nf b g a n dc o m p a r et h es y s t e m c a p a b i l i t yo f e a c ht e c h n o l o g y , s u c ha sc a p a c i t y , c r o s s - t a l k i n ga n d s oo n 2 d e s i g ne n c o d i n gf b g s e n s en e t w o r k ，i n c l u d i n gp r o d u c i n ga n dp r e p a r i n gf b g s e n s ea r r a y ， s t u d v i n 2w a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o ns y s t e mw h i c hi s f i tf o rd i f f e r e n tp h y s i c a lm e a s u r e m e n t ， c o m p i l i n gd e c o d i n gp r o g r a m a n dr e c o n s t r u c t i n gm e a s u r e dp h y s i c a lp h e n o m e n o nb y m u l t i 。s e n s o r i n f o r m a t i o nf u s i o nt e c h n o l o g y 3 u s em e t a l i z e de n c a p s u l a t i o nt e c h n o l o g yt op r e p a r ef b g s e n s o r , w h o s es e n s i n gc h a r a c t e r i sb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a lt e c h n o l o g yt e s t i f i e db ye x p e r i m e n t 4 d e v e l o 口d o u b l e e d g e dw a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o ns y s t e m ，w h i c hi s f i tf o rh i g h 。s p e e d e d s h i f l i n gm e a s u r ea n dp r o v et h es y s t e mc a p a b i l i t yi nt h e o r ya n d e x p e r i m e n t 武汉理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：e n c o d i n g f i b e r b r a g gg r a t i n g ，m u l t i p l e s e n s i n gt e c h n i q u e ，s e n s en e t w o r k ， i n f o r m a t i o nf u s i o n ，e n c a p s u l a t i o nt e c h n o l o g y , w a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o n i l l 武汉埋工人学硕士毕业沦文 第1 章绪论 i 1 课题研究的背景和意义 1 1 i 光纤光栅的发展动态 近年来，对光纤光栅的研究取得了重大进展，主要集中在光纤光栅的 紫外光照射生长动力学、光学特性和成栅技术的研究；光栅的制备技术 日趋成熟，现阶段则主要集中于非均匀周期的光纤光栅的制作、光纤光 栅光学的特性及其在光通信及光纤传感中的应用研究。 光纤光栅可用于位移、应力、应变或温度等物理量的传感测量，具有 较高的灵敏度和测量范围，适应于高温、高压和危险性环境等，可靠性 高。在光纤若干个部位写入不同栅距的光纤光栅，就可以同时测定若干 部位柑应物理量及其变化，即实现分布式光纤传感。采用光栅阵列利用 各种复用技术实现对各种传感量的准分布式测量在智能和灵活结构中有 着重要的应用。武汉理工大学光纤中心、南丌大学现代光学研究所等在 光纤光栅传感方面做了大量的工作，还有黑龙江光纤技术研究所也开展 了光纤光栅传感网络方面的研究。 随着光纤光栅技术的不断成熟和商用化，专家们预台，从光纤通信、 光纤传感到光计算机和光信息处理的整个光纤领域将发生一次变革性飞 跃。光纤光栅的出现将改革人们在光纤技术应用中的传统设计思想，可 以说光纤光栅技术是继掺铒光纤放大器( e d f a ) 技术之后光纤技术发展的 又一个新的里程碑。光纤光栅技术使得全光纤器件的研制和集成成为可 能，从而为人们梦寐以求进入全光信息时代带来了希望。 1 i 2 传感复用技术的研究意义 光纤布拉格光栅传感器是近几年光纤传感技术领域的研究热点，也是 进行应力和温度测量的有力竞争者。它们有许多先进性优于传统的传感 器，如：灵敏度高、防电磁干扰、耐腐蚀、避免接地回路、带宽大和远 程操控能力等，包括在高温下对微应力的有效测量。基于光栅的传感器 的出现对各类的应用都十分有用，特别是在材料中分布式埋入传感器组 成智能结构的领域，近1 0 年引起很多的关注 h - s i 。由于布拉格光栅体积 武汉理丁大学硕士毕业论文 小耐腐蚀，可以方便的埋入材料的成分中，它可以监测和测量诸如负载 水平、应力、温度和振动等参数，从中可以评估结构的健康状况和追踪 建筑物的实时偏差。如：埋入混凝土结构评估材料的形变。 在恶劣环境或超大型的结构中，对准分布式传感可靠的运行能力的需 要同益增加。复用测量温度和应力在许多1 ：业领域很重要，如：电厂、 桥梁舱测、探油和智能系统，还包括医学测量内部温度的应用。应力和 温度在许多其他的工程领域也是必需的，特别是在严酷的环境下，包括 高温高压、有毒和高电磁干扰。所以说基于f b g 传感器的复用技术已经 成为实现多点测量和准分布式传感的关键技术之一。 1 2 基于f b g 的传感网络复用技术的分类和比较 大容量光栅单元的复用能力是在设计光栅传感系统中要考虑的关键 问题之一，特别是在分布式传感的领域。通过共享光源和电子处理部分， 那么随着系统中复用传感器数目的增加，每个传感器的花费将大大减少， 这将增强光纤传感器对传统机电类传感器的竞争力。纵观近十年来这些 方面的研究成果，复用技术已经大量的在光纤传感领域被研究和应用， 特别是对f b g 复用技术的研究受到广泛关注。当然传感器的复用必然涉 及到解复用，按复用和解复用方案的原理分类大致可分为：1 ) 波分复用 ( w d m ：w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) ；2 ) 时分复用( f d m ：t i m e d i v is i o n m u l t i p l e x i n g ) ；3 ) 频分复用( f d m ：f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) ；4 ) 其它复用方案( 其中的方案可能是对前面三种方案的 结合与改进，也可能是种新的方案不属于前面的任何一种) 。然而不管 是哪利，方案都有自己的优缺点，都可能存在各种干扰，包括检测速度、 串扰、信噪比和波长的带宽等。各方面的影响最重要的是限制了复用的 f b g 传感器的个数，从几个到几十个上百个不等，下面各部分将分别做 详细说明。 1 2 1 传感网络复用技术的分类 1 2 i 1 波分复用f 1 2 1 布拉格光栅传感器是对布拉格反射波长编码，因此使用光纤光栅阵列 的优点之一就是光栅单元可通过波长分辨。现在使用最广的f b g 传感器 复用技术就是波分复用技术( w d m ) ，在光栅阵列中每一个光栅传感器 茎坚些三查鲎堡主望些堡墨 的波长都和其它的不同，基于这个前提就可以知道每个位置的光栅及其 相应的波长。但是波分复用技术的复用传感器数只受到光源带宽或扫描 带宽和f b g 中心波长应变的范围的限制。举例说明，若宽带光源的带宽 为4 0 n m ，考虑到光纤材料特性和f b g 光栅传感特性的要求，在工程应 用巾光栅中心波长的应力应变范围一般取为士2 5 n m ，对于温度应变光栅 中心波长的变化范围取为3 n m 。为保证传感器间的信号不相互干扰，光 栅中心波长值必须保持3 5 n m 的间隔，所以个波分复用系统的容量为 10 个左右的光栅。波分复用是f b g 传感系统最基本的复，q ；j 技术，考虑到 系统成本和复用容量的问题，在实际应用中波分复用技术一般和其它复 用技术结合使用增大复用容量，降低系统成本。 早叫历 3 r 辟g 3 m 蕊 2 。4 ( i o u d i t , r 确 i 2 0 ：8 0 一 图1 1 强度波分复用技术示意图 f i g 1 1d i a g r a mo fi w d mt e c h n i q u e 强度波分复用( i w d m ) 的方案 7j 8 1 ，既是一种波分复用和光源强度 调制相结合的技术方案。其原理是利用多通道光纤激光器的各通道输出 强度不一，用于对传感f b g s 的反射信息进行寻址，使得连入，不同激光 器输出通道的f b g 的柿拉格波长能分辨开。如图1 1 所示，传感系统的 光源是可以可调光纤环激光器，光纤环中有发布里腔滤波器用于波长的 选择，属于窄带光源扫描的方法。对于i w d m 技术，激光器的输出是由 个2 4 耦合器其中的三个通道组成，这个2 x 4 的耦合器是由三个耦合率 不同的光纤耦合器连接而成。根据这三个光纤耦合器的耦合率可设计不 同激光器分支的输出比率。每一个输出通道的激光进入一个f b g 传感器 链。由于加入了强度作为传感f b g 的寻址信息之一，所以在不同的激光 分支中允许光栅峰值相互交迭。当两个传感光栅出现光谱交迭时，输出 的光强为两个光栅输出强度的和。但是如果两光栅的反射谱不是完全交 武汉理工人学砸上毕业论文 迭而是之间存在不可测量的间隔，那么存测量过程中就会产生误差。而 且浚方法对光源功率和光源扫描控制的要求较高，所以同时也提高了系 统成本。 1 212 时分复h j 【1 3 卜【18 1 时分复用是一种很重要的复用技术，它可以大大增加可测光栅传感器 的数同。图5 所示的是利用1 二涉检测方案的时分复用技术装置，它拥有 很高的分辨率。复用系统中的单激光源提供了窄脉宽的脉冲光，由十光 栅传感器之间存在很长一段距离，所以f b g 反射的信号会连续的间隔一 段时间m 现，即f b g 传感器在时域上可分辨。检测系统对所选择的时间 窗口的反射信号进行检测，系统的信噪比小、分辨率高。图】2 ( a ) 中 的解调方案用到了锁相放大器( 1 0 c k i na m p l i f i e r ) 选择时间窗口l ” ，还 有用到高速电子开关( f a s te l e c t r o n i cs w i t c h ) 的 1 4 ，如图1 2 ( b ) 所示。 ( a ) 利用锁相放大器选择时间窗口 ( a ) c h o o s i n g t i m ew i n d o w su s i n gp h a s e l o c k e da m p l i f i e r 一堕望堡三叁兰堡望些堡茎 f i r i s h r m n k o o t 4l t ( b ) 利用电子开关选择时间窗口 ( b ) c h o o s i n gt i m ew i n d o w su s i n ge l e c t r i c a ls w i t c h 图1 2 时分复用技术示意图 f i g 1 2d i a g r a mo ft d mt e c h n i q u e 但是考虑到t d m 技术中传感信号的衰减和现有光开关的速度等问 题，般的t d m 系统复用的光栅传感器的数目都小于1 0 。所以时分复 用技术一般是1 i 单独使用的，如果结合波分复用和时分复用技术【m j ， 可复用的传感器的数目将进一步增加。这种两种技术的结合可以组成 系列连接结构不同的光栅传感阵列【l5 。，如图1 3 所示。对于这么大量的 传感器现在最常用到的解复用技术是利用种高分辨率的光时域反射 ( o t d r ：o p t i c a lt i m e d o m a i nr e f l e c t i o n ) 技术进行解调，如图1 4 。 o t d r 是一种研究光纤衰减特性的方法，在基本的o t d r 测量中，激光 器输出小段光脉冲进入光纤，间隔时间由内部的延迟生成器决定。 o t d r 检测到反射的光，和光脉冲进入光纤的时刻延迟一个h 。f 。所以从 f b g 阵列反射的脉冲到达光子计数检测器是能在时域上被分辨丌，然后 再通过电子开关分离。独一无二的时间延迟就是寻址信息，这个延迟时 问和光栅在光纤上的位置有关。同样系统检测到每一个时间间隔时刻的 光强值然后加以分析。但是这种灵敏度高分辨率高的解调方法会受到瑞 利散射和菲涅耳散射的影响，它们是光纤固有的传输特性，在这些散射 的波长区域内检测到的信号是不能用于本系统的传感信号分析的，被称 为“死区”。 些堡型三查竺堕主兰些笙壅 ( ，1 ：一誉誊誊 图1 4 利用o t d r 的解复用技术结构图 f i g 1 - 4d i a g r a mo fd e m u l t i p l e x i n gt e c h n i q u ew i t ho t d r 1 2 1 3 频分复用1 9 h 2 1 频分复用技术同样也应用f b g 传感系统，它采用连续波频率调制f l 州 ( f m c w ：f r e q u e n c y m o d u l a t e dc o n t i n u o u sw a v e ) 技术对传感阵列中的 f b g 传感器进行寻址，根据f b g 反射信号和参考信号的拍频差不同将其 在频域上进行分离。由于它的占空比高，所以提供给光电检测器的平均 能量更大，同时也增大了信噪比( s n r ) ，理论上说频分复用技术复用容 武汉理i 大学硕l 毕业论文 量比时分复用的大。 f b g 传感系统频分复用原理和试验在文献 2 0 】 2 1 中有详细阐述。理 论 ：，f m c w 技术可以复用几十个布拉格波长完全一样的f b g ，两个传 感器之间的串扰小丁i 3 2 d b 。如果结合f m c w 和w d m ，不考虑f b g 的 衰减传感阵列的规模可能达到上百个。但是光脉冲频率连续调制的技术 还很不成熟，目前这种技术还停留在理论和实验室阶段。 1 2 1 4 码分多址技术 2 5 1 m 17 】 码分多址( c d m a ：c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术是近几年来 通信领域研究的热点，它可以大大提高系统的信息容量且不会增加串扰。 码分多址在传感领域的应用其实是对时分复用技术和频分复用技术的改 进，t d m 技术调制出脉宽相等的光脉冲作为光源，f m c w 技术调制出光 脉冲频率连续变化的光源，而c d m a 技术用伪随机比特队列( p r b s ： p s e u d or a n d o mb i ts e q u e n c e s ) 调制出脉宽不等的一组光脉冲作为光源， 然后再利用相关技术将每个独立的传感器的输出从复用信号中分离出 来。文献 2 6 详细介绍了c d m a 技术在f b g 传感系统中的应用，如图l 一5 所示，系统用4 0 n m 带宽的光源，在这个带宽内可复用1 0 0 多个f b g 传 感器。例如p r b s 生成器有8 位寄存器，就可以产生2 8 一l = 1 2 7 个不同的 码，凋制出1 2 7 组不同的光脉冲，因此系统的复用容量为1 2 7 个f b g 传 感器。c d m a 处理技术在时间上是连续的，比t d m 技术单个传感器传递 的信号能量要大，同时避免光脉冲频率连续变化调制的难点。和t d m 技 术和f m c w 技术一样，c d m a 技术对传感阵列中f b g 中心波长闻隔没 有要求，但是相邻传感器之间必须预留光纤延时环，否则将无法分辨。 f b t e 目倍蝴 f i b r eb r a g o 。器船。嚣k川gra,i2 。 k 甚，5 弱n m a 眺撑# “1 5 3 5 5n 弼 图1 5 码分多址技术复用装置结构图 f i g 1 5 s t r u c t u r a ld i a g r a mo fc d m at e c h n i q u e 一些坚翌王盔兰壁主兰些丝壅 1 2 2 传感复用技术的比较 f b g 是一种特殊的光学元件，它的栅距决定了所反射的布拉格波长 的波长值，作为传感7 i 件f b g 的栅距会因外界环境物理量的变化而改变， 所以说传感信息是加载在波长值【28 1 。分析文章1 2 1 节所叙述的各种复 用技术，对各种复用技术做出分析和比较，如表1 1 所示。关于w d m 技 术是基于f b g 传感机理的最基本的复用方式，受到光源带宽或扫描带宽 和f b g 中心波长应变的范围的限制，一般一个低衰减窗口中的复用容量 为十儿个f b g 传感器。还有t d m 技术、f d m 技术和c d m a 技术，这i 种技术和w d m 技术一样都广泛的应力于通信领域，呵以大大的增加通 信传输的信息量，在传感领域它们同样有异同点和各自的优缺点和先进 性，下面将进行比较。 表1 1f b g 传感复用技术的比较 t a b l e l - 1c o m p a r is o no ff b gm u l t i - s e n s et e c h n i q u e 复用技术关键技术光源特点复用容量特点 基于f b g 传感 w d m 连续发光宽带 机理的最基本十几个 波分复用光源 的复用方式 t d mo t d r ：光时域 等脉宽光脉冲小于10 1 、要对系统光 时分复用反射源进行调制； 2 、f b g 问颓设 f d mf m c w ：连续脉冲频率连续 几十个 频分复用波频率调制变化的光脉冲 光纤延时环； 3 、检测设备复 t c d m ap r b s ：伪随机 伪随机光脉冲上百个 杂，增加系统 i 码分多址比特队列 成本。 基本沿用 编码式多波长光栅制 连续发光宽带w d m 的检测 f b g 传感各、多波长编上百个 光源硬件，用软件 复用技术解码 实现系统解码 武汉理t 大学硕士毕业论文 观察上述三种复用技术装置图的结构有一些相似之处，都拥有一个宽 带光源和。个信号发生器日这个信号发生器都有一路参考信号接入检测 回路，所不同的是信号发生器所产生的信号和调制光源的方式都不同。 t d m 技术的光源调制h 。系列间隔时问相等的光脉冲，同一个脉冲到达 l i 同光栅信号返回的时间都不同，可以光开关等元件将信号在时域上分 离”来。但是所有复用的光栅都是使用同一脉冲作源，光源的强度和光 栅及光纤传输的衰减决定了复用的传感器数量小于1 0 。f d m 技术的光源 调制出连续的脉冲波，脉冲的频率随时问往复变化，不同位置的光栅信 号返回的时刻会对应刁i 同的频率，复用信号在频域上被分离。当然f m c w 技术的占空比要比t d m 技术大，进入传感光栅阵列的光强更大，所能复 用的光栅数目达到几十个。c d m a 技术的复用能力更强，它通过p r b s 广牛一组互不相关的光脉冲，进入传感阵列每个光栅都有与之对应的光 脉冲，反射信号使用相关技术分离。如果光脉冲的位数是8 位的则可复 用】2 7 个光栅。c d m a 技术的复用能力在这三种复用技术中是复用能力 最强，当然t d m 和f m c w 技术和w d m 技术结合也可拥有1 0 0 个以上 传感光栅的复用能力。这三种技术都需要对光源进行调制，并要求与之 相关的检测设备，还有光纤延时环等器件，都增加了系统的成本和复杂 程度。 本研究课题将采用多波长编码的复用技术，多波长编码技术以i 司一 位置的多个光栅组成的编码式光纤光栅为传感器，如双波长编码就是用 2 个光栅对某一位置的温度进行测量，使用的是二维编码技术。多波长编 码技术为本研究课题所采用的复用技术。举例说明如下：如果系统同时 使用13 0 0 n m 系列和15 5 0 n m 系列的光栅探头，每个系列占用带宽3 0 n m ， 使用传统的一维传感技术，则系统只能布点3 0 个( 1 5 + 15 ) ；如果改为使 用以编码式光纤光栅为传感探头的二维编码测量技术，比如，可以把 l5 5 0 n m 系列的光纤光栅作为个位码，13 0 0 n m 的光纤光栅作为十位码， 在个位码上有15 种波长可供选择，在十位码上也有十五种波长可供选择， 根据乘法原理，系统可布探测点为2 2 5 个( 1 5 1 5 ) 。由此可见，系统容量 的增长是非常显著的。同时编码式f b g 传感网络系统基本沿用w d m 的 检测硬件，用软件实现系统传感器的寻址解码功能。在增加系统容量的 同时节省系统成本和开发费用，还易于对原有系统进行改造。 f b g 传感复用系统能用在大型结构的温度和应力的分布式测量中， 一个基本的系统可能在不到1 0 0 米的距离中分布有上百个f b g 传感器， 数量众多而且密集。每一个f b g 传感器都可以检测环境温度或应应变的 9 武汉理工人学碗士毕业论文 变化，分辨率分别可达到0 5 和几个f ( 微应变单位) 。但是在这种密 集复用的系统中，同一波长上从某个传感器反射的信号不仅承载被测 物理量的信息，还展示出阵列中前面f b g s 的串扰。因此低反射的光栅 对于满足f b g 复用的要求降低串扰十分关键。同时降低了f b g 的反射率 r 也会降低系统的信噪比，对系统传感器的复用能力n 也是不利的，所 以要根据复用系统的结构和要求找到1 3 和r 的最佳平衡点，在减小串扰 保证测量精确度的同时保证复用能力。 1 3 本文的创新点和优势 本文的研究课题受到国家自然科学基金项目“编码光纤光栅的研究与 大容量传感系统的应用”的资助，主要的创新点有以下几个方面： 1 ) 提出了一种新型编码式f b g 传感网络，其优势在于比传统的波分 复用技术大大提高了传感器复用的容量，用软件实现寻址解码程序，成 本低，灵活度高。 2 ) 提出f b g 的金属化封装技术，并利用该技术制各编码式f b g 传 感器，实验中表现出优于以往封装技术制备f b g 传感器的传感性能。 3 ) 提出一种新型的波长解调方法一一双边缘滤波波长解调，并从理 论和实验两方面证明了该方法的可行性，其优势在于结构简单1 i 存在机 械移动部分，解调速度快适用于高瞬态量的解调。 1 0 武汉理工大学坝十毕业论文 第2 章编码式光纤布拉格光栅传感网络的工作原理 2 1 光纤光栅的基本光学原理 光纤光栅结构如图2 1 所示。将纤芯掺锗的单模光纤放在紫外激光干 涉场中曝光，就可激起纤芯折射率周期性的非均匀分布，形成体全息光栅。 设在均匀纤：出中的折射率为n ，引起折射率非均匀分布后成为n ( x ，y ，z ) ， 折射率峰谷差为1 1 ( x ，y ) ，非均匀分布区间长l ，并且认为纤芯折射率非 均匀分布为j f 弦分布，则纤芯折射率可表示为： n ( x ，y ，z ) = n ( x ，y ) + a n ( x ，y ) c o s ( 0 z ) ( 2 一1 ) 其r f 】0 = 2n a ，e 是光栅的空间频率，a 是折射率非均匀分布周期。山 于纤芯折射率非均匀分布，引起了纤芯中传输的本征模式问发# 耦合。在弱 导时，忽略偏振效应，吸收损耗和折射率非均匀分布引起了模式泄漏，则非均 匀波导巾的场面( x ，y ，z ) 满足标量波动方程： ra 21 v ；+ k 0 2 n 2 ( ，z ) + 寿 中( w ，z ) = 0 ( 2 - 2 ) 其中k 0 = 2 ， 是自由空间的光波长， v ，2 中= ；塑o r + 尝o r + 专窘 r 2 r 2 西2 由 二折射率非均匀分布引起波导中模式耦合只发生在纤芯中，因此非 均匀波导中的场可以表示为均匀波导束缚模式v ( x ，y ) 之和： 中( x ，y ，z ) = 4 f ( z ) ( x ，_ ) ，) = z i a , ( z ) e x p ( - i f l e ) + a l ( z ) e x p ( 伫) k ( x ，y ) ( 2 _ 3 ) a 】( z ) 表q 一- 了与vl ( x ，y ) 相联系的全部随z 变化的关系，面a l ( x ，y ) 和a 一“x ，y ) 分别是第1 个正向和反向传输模式的振幅。本文讨论中省略了所有 对结论无影响的e x p ( i t ) 因子。 其中，( 工，y ) 满足方程： p ，2 + 瑶五( z ，y ) 一卢? ；f ，( 膏，y ) = o ( 2 - 4 ) 将巾：o ，f 代d r ( 2 2 ) 式，结合( 2 4 ) ，并按模式耦合理论的一般方法进行处 理，化耐时略去离次项，则可以得到一个正向传输模与同一反向传输模间的 模式耦合方程： 堕：一f c 口，e x p ( i 2 a , & ) ( 2 5 ) 武汉理t 大学砸十毕业论文 掣i c 盯，e x p ( 一i 2 a f l z )( 2 6 ) a 1 和a 1 分别是1 个模的正向和反向传输幅度，b = 1 3 - ，b = kon 是该 模的传播g - 数，实际上五就是该模在纤芯叶f 的有效折射率n 。r r ，c 是耦合系 数： c “竽脚7 ，锄= i 叩 陋7 ， 这里 叩= 阿2 拟p 2 d a ( 2 - 8 ) ：。五 是芯层厂r 的功率百分比。在阶跃折射率剖面光纤中，基模可以用高斯函数近 似代替，代入( 2 - 8 ) 式： 可z 1 一击 ( 2 - 9 ) 在光栅入光端，l = 0 处，只有前向传输模，无反射模，因此有边界条件： a1 ( o ) = 1 ，a - 1 ( l ) = 0 利用此边界条件可解出方程( 5 ) ，( 6 ) ： 删= 丽面- 面e x p ( 碉i a f l z ) s i i l h 【s ( z 一纠+ i s c o s h 瞰一圳 f 2 - 1 0 1 “荆= 面面c 面e x p 两( - i 碉a ? z ) s i n h s ( z 一三) l ( 2 1 1 ) 其中s2 = c2 0 2 由( 1 0 ) 和( 1 1 ) 式，可求出光纤光栅的透射率t 和反射率1 r ： 附，垆矧 陋 础埘= i 鬻卜丽丽c 面2 s i n 雨h ( s l 薪) 面 ( 2 - 1 3 ) 当d = 0 时，即 = 2 na ，满足相位匹配条件，( 13 ) 式化简为： r 。( 三) = t a n h 2 ( c 三) ( 2 1 4 ) 反射率足光纤光栅的一个重要参数。( 2 13 ) 和( 2 1 4 ) x 式直接描述了反射率r 与光栅长l 的关系。对于折射率峰谷差大的光栅，较短的光栅就可达到高的 反射率。折射率峰谷差n 一定时，光栅到一定长度后反射率可能达 1 2 武汉理t 大学倾+ 毕业论文 10 0 。光纤光栅的另一个重要特性是谱线宽度。取半峰谱线宽度为光栅 线宽a 。an 的变化对 的影响足。线性关系，折射率峰谷差大会加宽 谱线宽度。光栅的谱线宽度 还与光栅长度l 有关系。 2 2 光纤布拉格光栅传感机理 光纤布拉格光栅的光谱图如图2 2 所示。入射进光纤光栅的宽带光， 只有满足一定条件的波长的光能被反射回来，其余的光都被透射出去。 光纤光栅传感的基本原理是利用光纤光栅的有效折射率和光栅周期对外 界参量的敏感特性，将外界参量的变化转化为其布拉格波长的移动，通 过检测光栅反射的中心波长移动实现对外界参量的测量。 嘲2 一i毙蜒光棚纡i 棚琢寇 f i g 2 1 s l r u c t u r a ld i a g r a mo ff i b e rb r a g gg r a t i n g 射谨 壤射谱 反射请 由耦合模理论可知，光纤光栅的b r a g g 中心波长为 卫n = 2 n 。”a( 2 - 1 ) o 唰 g a 弘g图鸲 菪阶光盯栅胁光“纤n光 之 唱 2 图畔 s之 殴 f 式巾_ 口是纤芯的有效折射率，a 是光栅周期。可见br a g g 波长九随和 a 的变化而变化，而和a 的改变与应变和温度有关。应变和温度分别 通过弹光效应和热光效应影响嘞，通过长度改变和热膨胀效应影响a ， 进而使以发生移动。 2 2 1f b g 的应变传感模型 已有研究证明，温度产生的热效应和应变产生的力效应可认为是卡h 互 独立的。假设光纤光栅仅受轴向应变作用，温度保持不变，则由式f 2 1 ) 可得轴向应变引起的光栅布拉格波长变化为 j 卫h 。= 2 a a n 。+ 2 订删a a ( 2 - 2 ) 在具体讨论之前，有必要提出以f 几点假设： ( 1 ) 光纤光栅作为传感元，其自身结构仅包括纤芯和包层两层，忽略 所有外包层的影响。这1 假设是有意义的，首先从光纤光栅的制作工艺 来说，要进行紫外曝光必须去除光纤外包层以免除它对紫外光的吸收作 用，所以直接获得的光纤光栅本身就处于裸纤状态；其次，对裸纤结构 的分析能更直接的反映光纤本身的传感特性，而不至于被其它因素所干 扰。 ( 2 ) 由石英材料制成的光纤光栅在所研究的应力范围内为一理想弹性 体，遵循胡克定理，且内部不存在切应变。该假设与实际情况也非常接 近，只要不接近光纤本身的断裂极限，都可以