光纖布拉格光柵耦合器型窄帶上下話路濾波器數(shù)值分析

提出了一種基于fpga與dsp平臺的光纖布拉格光柵傳感分析儀,將外界參量的變化轉(zhuǎn)化為光纖布拉格光柵波長的偏移,通過數(shù)據(jù)采集、過濾雜波、信號波峰檢測、高斯曲線擬合以及加權(quán)波長計(jì)算等關(guān)鍵步驟來實(shí)現(xiàn)波長解調(diào)技術(shù),進(jìn)而完成溫度、應(yīng)變、壓力或位移等對象的在線測量,并且可以實(shí)現(xiàn)光纖線路故障分析與定位的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)功耗低、線性度好、波長解調(diào)精度與分辨率較高。經(jīng)過長期測試,系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

兩電流產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵的布拉格波長漂移。通過檢測兩個布拉格光柵的波長漂移差,得到被測電流。雙光纖布拉格光柵通過補(bǔ)償溫度效應(yīng),解決了光纖布拉格光柵傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保光纖光柵在傳感過程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對測量結(jié)果的影響,從而減少了測量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為0.097nm/a,與理論值的相對誤差為3.38%,結(jié)果表明該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

載流導(dǎo)線在磁場中產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵(fbg)的布拉格波長漂移。通過檢測2個fbg的波長漂移差,得到被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。雙fbg通過補(bǔ)償溫度效應(yīng),解決了fbg傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保fbg在傳感過程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對測量結(jié)果的影響,從而減少了測量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為1.11nm/t,與理論值的相對誤差為4.31%,結(jié)果表明,該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

闡述了光纖布拉格光柵的幾種解調(diào)方法及實(shí)驗(yàn)原理框圖,并介紹了各種解調(diào)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)械感生長周期光纖光柵(mi-lpg)的雙邊緣濾波光纖布拉格光柵(fbg)傳感解調(diào)方案。采用不同寫制參數(shù)制作了諧振邊帶對稱交迭,諧振峰值和帶寬相同的兩個mi-lpg作為濾波器,利用反射fbg信號通過不同光譜特性的濾波器時(shí)輸出不同光強(qiáng)的比值對數(shù)算法確定被測波長。實(shí)驗(yàn)表明,本解調(diào)方法能夠精確、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)fbg傳感信號的解調(diào),動態(tài)范圍可達(dá)5nm,解調(diào)系統(tǒng)線性擬合計(jì)算值和光譜儀所測波長值的均方差為6pm,線性度好,精度高。

提出了一種基于級聯(lián)長周期光纖光柵的光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)。級聯(lián)長周期光纖光柵作為邊沿濾波器,利用它的一個線性區(qū)監(jiān)測單個光纖布拉格光柵傳感信號。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),但易受光源抖動及系統(tǒng)其他不穩(wěn)定因素等帶來的系統(tǒng)噪聲的影響。為消除系統(tǒng)噪聲帶來的不利影響,對該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)系統(tǒng)利用級聯(lián)長周期光纖光柵的兩個線性區(qū)同時(shí)監(jiān)測兩個光纖布拉格光柵傳感信號。分別用原系統(tǒng)及其改進(jìn)系統(tǒng)對溫度進(jìn)行監(jiān)測,實(shí)驗(yàn)的溫度測量范圍為-70～-115°c。原系統(tǒng)的靈敏度為0.49mv/°c,溫度分辨率為0.5°c;改進(jìn)系統(tǒng)的靈敏度為0.86mv/°c,溫度分辨率為0.3°c。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)系統(tǒng)能有效消除系統(tǒng)噪聲,提高系統(tǒng)的精度。

基于光纖耦合器的波長特性,分析了光纖耦合器作為梳狀濾波器的光譜特性;將長度不同的雙芯光纖(twin-corefiber,tcf)熔接在兩根單模光纖(singlemodefibors,smf)之間,實(shí)驗(yàn)制得具有不同峰值波長間隔的基于雙芯光纖耦合器的全光纖型梳狀濾波器,其消光比可達(dá)25db.首次使用co2激光對其進(jìn)行光譜調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)導(dǎo)致光譜向長波方向漂移和消光比的變化.這種調(diào)節(jié)是基于co2與光纖相互作用時(shí)的殘余應(yīng)力釋放和熔融變形機(jī)理,使用氫載tcf可以在相同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下得到更大的波長調(diào)節(jié)激光.

基于光纖布拉格光柵傳感模型,提出了一種懸臂梁與波登管相結(jié)合的光纖光柵壓強(qiáng)傳感器的組合設(shè)計(jì),推導(dǎo)了光纖布拉格光柵中心波長偏移量與壓強(qiáng)之間的解析關(guān)系式。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,壓強(qiáng)調(diào)諧光纖布拉格波長的靈敏度系數(shù)的理論值與實(shí)驗(yàn)值分別為0.2246nm/mpa、0.2218nm/mpa,在0~6mpa測壓范圍內(nèi),調(diào)諧范圍為1.35nm.

為了研究鍍ni光纖布拉格光柵(fbg)的溫度靈敏度,根據(jù)鍍nifbg的特點(diǎn),分析了鍍nifbg溫度變化時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變,從理論上推導(dǎo)出鍍nifbg的溫度靈敏度公式并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,用理論證明了鍍nifbg的波長漂移、應(yīng)力和應(yīng)變與溫度變化成線性關(guān)系,分析了鍍nifbg的溫度靈敏度與鍍層厚度的關(guān)系。用an-sys軟件對鍍nifbg在溫度變化時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了仿真。理論分析得到鍍層厚度為4.56μm的鍍nifbg的溫度靈敏度為14.3306pm/℃,實(shí)驗(yàn)值為14.113pm/℃。理論、實(shí)驗(yàn)和仿真得到了一致的結(jié)果。

推導(dǎo)并驗(yàn)證了非啁啾取樣光纖布拉格光柵(sfbg)反射譜中反射峰值波長的表達(dá)式?；诜N子光柵中心波長對應(yīng)的折射率調(diào)制深度和取樣光纖布拉格光柵折射率調(diào)制函數(shù)的傅里葉級數(shù)展開式,提煉出取樣光纖布拉格光柵的折射率調(diào)制深度和各階光柵周期,從而導(dǎo)出其反射峰值波長的表達(dá)式。由于考慮了占空比、取樣周期等取樣光纖布拉格光柵的結(jié)構(gòu)參量,因而表達(dá)式能夠描述反射峰的分布。仿真實(shí)驗(yàn)中,不同占空比或取樣周期下計(jì)算出的反射峰值波長、信道間隔符合數(shù)值反射譜。該表達(dá)式既適用于均勻取樣光纖布拉格光柵,也適用于交流切趾和交直流切趾取樣光纖布拉格光柵。

給出了光波導(dǎo)式小波濾波器的設(shè)計(jì)方案,該方案采用單模光纖耦合器作為系數(shù)實(shí)現(xiàn)載體,通過控制特性參數(shù)實(shí)現(xiàn)了具有不同分光比的耦合器基本單元,然后組合和級聯(lián)基本單元實(shí)現(xiàn)特定的小波濾波器系數(shù),具有精確度高,集成度好,穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢。分析了與系數(shù)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的熔錐型單模光纖耦合器的形狀特性,橫截面沿縱向變化的錐形區(qū)和橫截面近似不變的耦合區(qū)內(nèi)的耦合特性,根據(jù)理論推導(dǎo),用仿真手段設(shè)計(jì)3db單模光纖耦合器,實(shí)現(xiàn)了haar小波的濾波器系數(shù),誤差在3%以內(nèi),證明了光波導(dǎo)式小波濾波器設(shè)計(jì)方案的正確性和有效性。

介紹了現(xiàn)有汽車中進(jìn)氣溫度傳感器的工作原理。針對其存在的缺點(diǎn),提出了將光纖布拉格光柵溫度傳感器應(yīng)用到汽車中的設(shè)想,并通過比較選擇線性邊帶濾波法作為解調(diào)方法。通過實(shí)驗(yàn)測定光纖傳感器完全可滿足汽車中傳感器的要求。

本文研究了一種新的帶有溫度補(bǔ)償功能的光纖布拉格光柵水聽器封裝。這種水聽器的傳感機(jī)制在于將水下聲壓信號轉(zhuǎn)換為圓形薄板的軸向彈性振動,通過彈光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光纖光柵中心波長的瞬時(shí)改變,從而對經(jīng)過光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,fbg)的反射光信號實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制。對2.5～12khz水聲頻率范圍進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這種水聽器的靈敏度可達(dá)到-185dbre1v/μpa,最小可探測聲壓在5khz約為900μpa/hz~(1/2)。

分析光纖光柵傳感原理,闡述可調(diào)光纖f-p濾波器的工作機(jī)理和特點(diǎn),并介紹了基于arm實(shí)現(xiàn)光纖布拉格光柵(fbg)傳感器的解調(diào)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。采用三星公司的s3c44box對經(jīng)過可調(diào)諧f-p腔解調(diào)后的波長信息進(jìn)行采集,并對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)可以滿足一般的工程要求。

提出了由1個3×3和1個2×2單模光纖耦合器級聯(lián)組成的反射式光纖梳狀波長濾波器,給出了其基本結(jié)構(gòu)形式,并對其特性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明:當(dāng)組成濾波器的2個耦合器的分光比和光纖干涉臂之差取一些定值時(shí),可以使濾波器產(chǎn)生性能良好的梳狀輸出譜圖。與采用3個耦合器串聯(lián)而成的級聯(lián)mach-zehnder干涉儀(mzi)相比,該器件可以實(shí)現(xiàn)相同的功能,但只用到2個耦合器,并且在實(shí)際制作時(shí)可以對耦合器的分光比進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測和控制。研制出了具有輸出峰間隔為1.6nm、近似于方波的波長交錯濾波器,理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符。

研究了單模光纖布拉格光柵的偏振相關(guān)損耗(pdl)特性。運(yùn)用耦合模理論和瓊斯(jones)矩陣提出了反射光的有效偏振相關(guān)損耗(pdleff),并模擬了其隨光柵參數(shù)和雙折射量的變化性質(zhì)。光柵反射光的偏振相關(guān)損耗在反射譜的帶邊處明顯地表現(xiàn)出來,特別是帶邊比較陡峭時(shí)。結(jié)果表明,光柵的有效偏振相關(guān)損耗明顯地依賴于光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和雙折射量。光柵的有效偏振相關(guān)損耗隨光柵長度和調(diào)制深度的增加急劇增大。對于給定光柵長度和調(diào)制深度的光柵,光柵雙折射量小于2×10-5時(shí),光柵的有效偏振相關(guān)損耗隨雙折射的增大迅速增大;光柵雙折射量大于2.5×10-4時(shí),光柵的有效偏振相關(guān)損耗的兩個主峰的寬度變大并在其上有子峰,隨雙折射的繼續(xù)增大,兩主峰間距增大而子峰變小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬基本吻合。

基于光纖光柵傳感技術(shù),采用光纖光柵應(yīng)變計(jì)、光纖光柵溫度計(jì)、光纖光柵位移計(jì)對一座既有預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板橋的靜、動載試驗(yàn)進(jìn)行了測試;對比分析了傳統(tǒng)傳感技術(shù)與光纖光柵傳感技術(shù)的測試結(jié)果。結(jié)果表明:傳統(tǒng)傳感器和光纖傳感器實(shí)橋測量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果均能吻合,均能夠反映出橋梁的實(shí)際受力狀態(tài);且光纖光柵傳感器可以真實(shí)反映加載的整個過程,實(shí)現(xiàn)加載過程的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)控。

采用數(shù)值模擬的方法研究了光纖布拉格光柵(fbg)的非線性雙穩(wěn)開關(guān)特性。從耦合模理論出發(fā),利用jacobi橢圓函數(shù)法得到了3種不同的解,首先對3種解下的非線性雙穩(wěn)開關(guān)特性分別進(jìn)行比較,然后針對各個解下的影響開關(guān)特性的失諧量、耦合系數(shù)和光柵長度等參數(shù)進(jìn)行分析,研究結(jié)果對于分析和構(gòu)建非線性雙穩(wěn)fbg光開關(guān)具有一定的意義。

從布拉格光柵方程出發(fā),理論上分析了在溫度、應(yīng)變雙參量同時(shí)測量時(shí),考慮溫度-應(yīng)變交叉靈敏度、二階應(yīng)變靈敏度和二階溫度靈敏度情況下,溫度和應(yīng)變測量的誤差的一般數(shù)學(xué)公式.結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了溫度和應(yīng)變的誤差計(jì)算,得出3個二階靈敏度在不同的溫度變化、應(yīng)變范圍內(nèi)對測量誤差的貢獻(xiàn)不同.同時(shí)給出了波長的漂移量與溫度、應(yīng)變呈線性關(guān)系時(shí),溫度變化和應(yīng)變的范圍.

提出了基于可調(diào)激光器和聲光脈沖調(diào)制的光纖布拉格光柵(fbg)傳感系統(tǒng),同時(shí)利用摻鉺光纖放大器(edfa)和拉曼放大相結(jié)合的放大方案大幅度提高了光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)的傳輸距離,達(dá)到了300km的超長距離傳感。該系統(tǒng)通過前端的edfa和末端的拉曼泵浦光源來補(bǔ)償光纖布拉格光柵反射的光功率。系統(tǒng)在低于275km長度時(shí)獲得了大于15db的優(yōu)良信噪比;在300km處獲得了4db的信噪比,以及明顯的反射信號。系統(tǒng)在100,200,250,300km處的靜態(tài)應(yīng)變實(shí)驗(yàn)中,線性度均達(dá)到了0.999以上。系統(tǒng)可望在鐵道、輸油(氣)管道、海岸線等的超長距離遙測中得到廣泛應(yīng)用。

針對傳統(tǒng)骨骼形變監(jiān)測技術(shù)中存在的傳感器尺寸較大,易受電磁干擾,不易實(shí)現(xiàn)體內(nèi)長期監(jiān)測等不足,采用光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,fbg)作為骨骼形變監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)原理及應(yīng)用方式.基于fbg應(yīng)力傳感原理,將不同中心波長的fbg粘貼于清理干凈的肋骨上進(jìn)行載荷實(shí)驗(yàn),隨后將采集的布拉格波長換算成形變,實(shí)時(shí)顯示骨骼受載荷時(shí)的形變趨勢.實(shí)驗(yàn)采用在多點(diǎn)粘貼f3g的方式,避免了溫度、應(yīng)變交叉?zhèn)鞲械膯栴}.實(shí)驗(yàn)表明,粘貼在豬肋骨上的fbg的波長變化與該位置受力產(chǎn)生的彎曲形變具有明顯的線性對應(yīng)關(guān)系,光纖光柵譜峰漂移隨骨骼撓度變化的靈敏度可達(dá)39.00525pm/mm.實(shí)驗(yàn)結(jié)果對發(fā)展微型、實(shí)時(shí)、集成骨骼健康監(jiān)控具有一定的參考意義.

根據(jù)耦合模理論,數(shù)值模擬了多模光纖布拉格光柵的傾斜角度對纖芯基模向纖芯高階模式的轉(zhuǎn)換問題.反射光譜的數(shù)值計(jì)算中,假定只有l(wèi)p01模式激發(fā)情況下lp01模式與lp11模式的轉(zhuǎn)換。