基于可調(diào)諧法布里—珀羅濾波器的光纖光柵解調(diào)技術(shù)研究.pdf

1、光纖光柵（fiber Bragg grating，F(xiàn)BG）是近幾年發(fā)展最為迅速的光纖無源器件之一。光纖光柵作為傳感元件具有其它傳感器無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。FBG傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，易于集成和埋覆測量，對傳感信息采用本征性波長編碼，免受電磁噪聲和光強(qiáng)波動(dòng)的干擾，并且便于采用復(fù)用（波分、時(shí)分、空分）技術(shù)實(shí)現(xiàn)對多種傳感量（應(yīng)力、溫度等）的準(zhǔn)分布式多點(diǎn)測量，在民用、航空、船舶、電力和石油等領(lǐng)域的安全監(jiān)測方面有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，F(xiàn)BG傳感解調(diào)的方法和

2、裝置包括非平衡馬赫-曾德干涉儀法、邊緣濾波器法、匹配FBG濾波器法和可調(diào)諧法布里-珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)-P）濾波器法等。其中，可調(diào)諧F-P濾波器法通過微驅(qū)動(dòng)器調(diào)諧腔長掃描傳感FBG，具有靈敏度高、調(diào)諧范圍大等優(yōu)點(diǎn)更適用于多點(diǎn)掃描。因此本文對可調(diào)諧F-P濾波器解調(diào)方法進(jìn)行了較為深入的研究。 本文研究了端面光吸收損耗，有限多光束干涉及反射平板不平行對F-P濾波器光學(xué)性能的影響，提出了可調(diào)諧F-P濾波器的參數(shù)范圍和設(shè)計(jì)要求

3、。通過仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了基于磁場梯度力的微位移驅(qū)動(dòng)器和基于電場力的微位移驅(qū)動(dòng)器。分析了基于超磁致伸縮材料（giant magnetostrictive material，GMM）和基于壓電陶瓷（piezoelectric，PZT）微位移驅(qū)動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)，確定了微位移驅(qū)動(dòng)方案。設(shè)計(jì)了一種可調(diào)諧F-P濾波器結(jié)構(gòu)，利用該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對FBG傳感器的解調(diào)功能。為了消除可調(diào)諧F-P濾波器腔長隨溫度漂移的影響，降低系統(tǒng)復(fù)雜性，通過有限元方法對可調(diào)諧F-P

4、濾波器結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。首先通過實(shí)驗(yàn)測得可調(diào)諧F-P濾波器結(jié)構(gòu)的溫度-腔長變化曲線，與有限元分析軟件仿真得到的溫度-腔長變化曲線對比確定了有限元模型和有限元計(jì)算方法的可行性，然后建立了基于復(fù)合結(jié)構(gòu)（因瓦合金、碳鋼）的低溫度漂移有限元模型，應(yīng)用低熱膨脹系數(shù)的因瓦合金補(bǔ)償了PZT模塊的熱膨脹差異。仿真研究表明，復(fù)合結(jié)構(gòu)消除了溫度漂移現(xiàn)象。 為了準(zhǔn)確測定解調(diào)系統(tǒng)輸出信號(hào)的峰值發(fā)生時(shí)間，需要濾除噪聲，恢復(fù)輸出信號(hào)，因此對信號(hào)重

5、建算法進(jìn)行了研究。通過對系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻譜分析，確定了噪聲的頻率范圍，設(shè)計(jì)了基于凱澤窗的數(shù)字低通濾波器。針對低通濾波后依然存在噪聲導(dǎo)致信號(hào)失真的問題，根據(jù)FBG的反射譜特性對信號(hào)進(jìn)行了局部高斯擬合，保證了求取峰值時(shí)間的準(zhǔn)確性。 分析了串聯(lián)型和并聯(lián)型的實(shí)時(shí)校正方案，選擇并完善了并聯(lián)型方案。最后設(shè)計(jì)了一種基于可調(diào)諧F-P濾波器的多點(diǎn)FBG解調(diào)系統(tǒng)，此系統(tǒng)根據(jù)48個(gè)參考點(diǎn)采用快速分段算法確定PZT驅(qū)動(dòng)電壓-波長函數(shù)，使用此函數(shù)實(shí)時(shí)校正