串聯(lián)光纖光柵測(cè)量系統(tǒng)串?dāng)_分析與復(fù)用能力提高的研究.pdf

1、隨著光纖光柵技術(shù)的發(fā)展，抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕、可實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量的光纖光柵傳感器日益受到重視，己從實(shí)驗(yàn)室研究走向大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用階段。目前，工程檢測(cè)領(lǐng)域尤其是大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中大容量、低成本、高性能光纖光柵測(cè)量系統(tǒng)的需求，使得提高光纖光柵測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)用能力成為了一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。
　　本文以提高波分復(fù)用(WDM, Wavelength Division Multiplexing)串聯(lián)光纖光柵測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)用能力為目的，通過(guò)研究

2、限制復(fù)用能力的串?dāng)_相關(guān)問(wèn)題，建立了串聯(lián)光纖光柵系統(tǒng)中承載傳感信息的總反射光譜和總透射光譜的數(shù)學(xué)模型，獲取了總反射率譜和總透射率譜的解析表達(dá)式和數(shù)值求解方法，在此基礎(chǔ)上得到防護(hù)頻帶確定方法和最小方差法以提高復(fù)用能力，同時(shí)引入蒙特卡羅法以分析串?dāng)_誤差。
　　串?dāng)_是限制串聯(lián)光纖光柵系統(tǒng)復(fù)用能力的主要因素，為實(shí)現(xiàn)分析串聯(lián)光纖光柵系統(tǒng)中串?dāng)_的影響，在分析串?dāng)_形成機(jī)理的基礎(chǔ)之上，通過(guò)窮舉任意階廣義多次反射的傳播光路，推導(dǎo)出兩個(gè)串聯(lián)光纖光柵的總

3、反射率譜解析表達(dá)式，以及三個(gè)串聯(lián)光纖光柵的總反射率譜近似解表達(dá)式，為分析研究存在串?dāng)_的光纖光柵系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。同時(shí)，為了提高常規(guī) WDM串聯(lián)光纖光柵測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)用能力，更緊湊地布置光纖光柵，建立了防護(hù)頻帶寬度確定方法。
　　為進(jìn)一步提高串聯(lián)光纖光柵測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)用能力，將最小方差法應(yīng)用于分離串聯(lián)光纖光柵的光譜重疊信息。基于最小方差法的有、無(wú)防護(hù)頻帶測(cè)量系統(tǒng)模型允許多個(gè)串聯(lián)光纖光柵共用同一信道，因此其復(fù)用能力與常規(guī) WDM系統(tǒng)相比得到

4、很大提高。以兩個(gè)串聯(lián)光纖光柵共用同一信道為例，分析了最小方差法的檢測(cè)誤差，研究了誤差的產(chǎn)生原因和影響因素，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了最小方差法的可行性。
　　采用傳統(tǒng)的地毯式搜索算法搜索極值時(shí)速度慢是最小方差法研究中一個(gè)需要解決的問(wèn)題，為了提高搜索速度，使之能與常規(guī)光譜測(cè)量?jī)x器的解調(diào)速度相匹配，分別將遺傳算法、ICS算法和禁忌搜索算法用于最小方差法的搜索速度研究。通過(guò)分析各算法的影響因素，研究了三種算法的性能和搜索效果，并基于仿真實(shí)驗(yàn)分別比

5、較了三種算法與傳統(tǒng)地毯式搜索的性能差異，得到禁忌搜索算法是可與常規(guī)光譜測(cè)量?jī)x器解調(diào)速度相匹配的一種搜索算法。
　　為實(shí)現(xiàn)串聯(lián)光纖光柵系統(tǒng)中考慮所有串?dāng)_效應(yīng)的串?dāng)_誤差分析，將蒙特卡羅法引入到串聯(lián)光纖光柵系統(tǒng)的光譜研究中。蒙特卡羅法可考慮任意階多次反射效應(yīng)，在光纖光柵數(shù)量為任意值時(shí)，計(jì)算得到系統(tǒng)總反射率譜等數(shù)值解，為評(píng)價(jià)串?dāng)_誤差提供了一種計(jì)算方法。以兩個(gè)串聯(lián)光纖光柵的總反射率譜計(jì)算為例，通過(guò)對(duì)比蒙特卡羅法的數(shù)值解與解析解，證明了方法的

6、可靠性與準(zhǔn)確性。通過(guò)比較光纖光柵數(shù)量不同的系統(tǒng)總反射率計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，證明了蒙特卡羅法數(shù)值解的計(jì)算精確度不受光纖光柵數(shù)量影響。運(yùn)用蒙特卡羅法的模擬光譜數(shù)據(jù)，針對(duì)三個(gè)串聯(lián)光纖光柵共用同一信道的情況，分析了最小方差法的串?dāng)_誤差。
　　本文通過(guò)研究串聯(lián)光纖光柵系統(tǒng)中的串?dāng)_效應(yīng)，建立了防護(hù)頻帶寬度確定方法和最小方差法用以提升串聯(lián)光纖光柵測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)用能力，利用禁忌搜索算法來(lái)提高搜索速度，基于蒙特卡羅法評(píng)價(jià)串?dāng)_誤差的大小，具有很大的工程實(shí)際應(yīng)用