標(biāo)定方法提高布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)測(cè)量精度

提出了一種基于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵的光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)。級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵作為邊沿濾波器,利用它的一個(gè)線性區(qū)監(jiān)測(cè)單個(gè)光纖布拉格光柵傳感信號(hào)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),但易受光源抖動(dòng)及系統(tǒng)其他不穩(wěn)定因素等帶來(lái)的系統(tǒng)噪聲的影響。為消除系統(tǒng)噪聲帶來(lái)的不利影響,對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)系統(tǒng)利用級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵的兩個(gè)線性區(qū)同時(shí)監(jiān)測(cè)兩個(gè)光纖布拉格光柵傳感信號(hào)。分別用原系統(tǒng)及其改進(jìn)系統(tǒng)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),實(shí)驗(yàn)的溫度測(cè)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。

為實(shí)現(xiàn)高速度、高精度的光纖光柵傳感解調(diào)，提出了一種基于狀態(tài)機(jī)的自適應(yīng)半峰檢測(cè)尋峰算法。算法通過(guò)對(duì)fbg反射波形的實(shí)時(shí)跟蹤確定波形數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)波形數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析得到尋峰閾值，通過(guò)校驗(yàn)與補(bǔ)償精確得到峰值位置。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，對(duì)于2khz的解調(diào)速度，解調(diào)分辨率達(dá)到1pm，靜態(tài)噪聲在±2pm以內(nèi)，長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試的穩(wěn)定性誤差在2pm以內(nèi)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍在0～-30db，光功率衰減導(dǎo)致的穩(wěn)定性誤差在4pm以內(nèi)。這表明，本算法從速度、精度、抗干擾性、穩(wěn)定性等方面都能夠滿足高速解調(diào)的需要。

提出了一種基于fpga與dsp平臺(tái)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(zhǎng)的偏移,通過(guò)數(shù)據(jù)采集、過(guò)濾雜波、信號(hào)波峰檢測(cè)、高斯曲線擬合以及加權(quán)波長(zhǎng)計(jì)算等關(guān)鍵步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù),進(jìn)而完成溫度、應(yīng)變、壓力或位移等對(duì)象的在線測(cè)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(zhǎng)解調(diào)精度與分辨率較高。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期測(cè)試,系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

針對(duì)反射體布拉格光柵譜組束中缺乏精密控制儀器的實(shí)驗(yàn)條件,采用透鏡作為光束入射角和準(zhǔn)直控制器件,設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的譜組束系統(tǒng)。基于衍射效率方程,得到了光柵最佳設(shè)計(jì)參數(shù);基于像差理論,得到了透鏡最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。針對(duì)該設(shè)計(jì)系統(tǒng),對(duì)影響組束效果的因素進(jìn)行了分析,并對(duì)組束效果進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明:當(dāng)激光束的譜寬小于1.5nm時(shí),設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組束效率能超過(guò)90%;而當(dāng)光束的譜寬達(dá)到2.1nm時(shí),設(shè)計(jì)系統(tǒng)也能獲得超過(guò)88.7%的組束效率。

設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)械感生長(zhǎng)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(duì)稱交迭,諧振峰值和帶寬相同的兩個(gè)mi-lpg作為濾波器,利用反射fbg信號(hào)通過(guò)不同光譜特性的濾波器時(shí)輸出不同光強(qiáng)的比值對(duì)數(shù)算法確定被測(cè)波長(zhǎng)。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(hào)的解調(diào),動(dòng)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(cè)波長(zhǎng)值的均方差為6pm,線性度好,精度高。

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(zhǎng)距離傳感。該系統(tǒng)通過(guò)前端的edfa和末端的拉曼泵浦光源來(lái)補(bǔ)償光纖布拉格光柵反射的光功率。系統(tǒng)在低于275km長(zhǎng)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(hào)。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(zhǎng)距離遙測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。

提出一種在布拉格光線光柵(fbg)表面電鍍金屬的方法,以達(dá)到保護(hù)光纖光柵的目的。介紹了鍍前預(yù)處理、化學(xué)鍍以及電鍍過(guò)程,確定了鍍液配方及工藝;并進(jìn)行了溫度傳感試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,表明這種方法不僅可以獲得厚度理想的金屬保護(hù)層,同時(shí)可以提高光纖光柵的溫度靈敏度。

闡述了光纖布拉格光柵的重構(gòu)理論及被廣泛采用的剝層算法,指出了剝層算法在重構(gòu)強(qiáng)反射光柵時(shí)的弊端,提出了一種剝層算法和遺傳算法相結(jié)合的方法來(lái)重構(gòu)強(qiáng)反射光柵。此方法先由剝層算法得到光柵耦合系數(shù)的初始值,再依據(jù)重新采樣后的初始值創(chuàng)建初始種群,通過(guò)遺傳算法實(shí)現(xiàn)對(duì)剝層算法所得結(jié)果的后半部分進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)值模擬表明此方法有效地改善了剝層算法的結(jié)果,具有較快的收斂速度和很好的精度,能適用于大多數(shù)強(qiáng)反射光柵的重構(gòu)。

根據(jù)理想模展開下的耦合模方程,對(duì)光纖布拉格光柵的峰值反射率公式進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo),得到了布拉格光纖光柵的光譜反射率表達(dá)式。全面討論了光柵周期、光纖柵長(zhǎng)、光致折射率微擾最大值等參數(shù)與光纖光柵反射光譜的關(guān)系。仿真結(jié)果顯示了固定參數(shù)下布拉格光柵的極限窄帶寬,得到的反射率為1、帶寬為0.02nm的窄帶寬布拉格光柵,比現(xiàn)今分布式傳感系統(tǒng)中使用的布拉格光柵的帶寬窄1個(gè)數(shù)量級(jí)。這種布拉格光纖光柵用于分布式傳感系統(tǒng),可大大提高分布式傳感系統(tǒng)中光源的帶寬利用率,消除各信號(hào)間的相互串?dāng)_,提高傳感光柵復(fù)用數(shù)目,降低解調(diào)系統(tǒng)成本。

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(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,用理論證明了鍍nifbg的波長(zhǎng)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(duì)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。

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(zhǎng)漂移。通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)布拉格光柵的波長(zhǎng)漂移差,得到被測(cè)電流。雙光纖布拉格光柵通過(guò)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(wèn)題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保光纖光柵在傳感過(guò)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,從而減少了測(cè)量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為0.097nm/a,與理論值的相對(duì)誤差為3.38%,結(jié)果表明該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

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(lái),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(zhǎng)度和調(diào)制深度的增加急劇增大。對(duì)于給定光柵長(zhǎng)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(gè)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(duì)一座既有預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板橋的靜、動(dòng)載試驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)試;對(duì)比分析了傳統(tǒng)傳感技術(shù)與光纖光柵傳感技術(shù)的測(cè)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(cè)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(gè)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)加載過(guò)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(duì)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(duì)各個(gè)解下的影響開關(guān)特性的失諧量、耦合系數(shù)和光柵長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行分析,研究結(jié)果對(duì)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(cè)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(cè)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(gè)二階靈敏度在不同的溫度變化、應(yīng)變范圍內(nèi)對(duì)測(cè)量誤差的貢獻(xiàn)不同.同時(shí)給出了波長(zhǎng)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.

針對(duì)傳統(tǒng)骨骼形變監(jiān)測(cè)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(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等不足,采用光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,fbg)作為骨骼形變監(jiān)測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)換算成形變,實(shí)時(shí)顯示骨骼受載荷時(shí)的形變趨勢(shì).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?wèn)題.實(shí)驗(yàn)表明,粘貼在豬肋骨上的fbg的波長(zhǎng)變化與該位置受力產(chǎn)生的彎曲形變具有明顯的線性對(duì)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(duì)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.

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(zhǎng)的表達(dá)式?；诜N子光柵中心波長(zhǎng)對(duì)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(jí)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(zhǎng)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(zhǎng)、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。

載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)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(zhǎng)漂移。通過(guò)檢測(cè)2個(gè)fbg的波長(zhǎng)漂移差,得到被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。雙fbg通過(guò)補(bǔ)償溫度效應(yīng),解決了fbg傳感器的交叉敏感問(wèn)題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保fbg在傳感過(guò)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,從而減少了測(cè)量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為1.11nm/t,與理論值的相對(duì)誤差為4.31%,結(jié)果表明,該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

文中介紹了光纖布拉格光柵的原理;根據(jù)耦合模方程,介紹了幾種光柵的仿真方法;分別以光纖布拉格光柵濾波器、色散補(bǔ)償器、相移光柵和采樣光柵為例說(shuō)明了光纖光柵的設(shè)計(jì)方法。

由法拉第效應(yīng)原理,通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)引起光纖布拉格光柵(fbg)的偏振相關(guān)損耗(pdl),可以測(cè)得磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。fbg中線雙折射的存在,同樣改變了光的偏振特性,仿真并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了fbg固有偏振相關(guān)損耗的特點(diǎn)。利用瓊斯矩陣法理論推導(dǎo)了fbg在既有雙折射又有磁場(chǎng)影響時(shí),輸入線偏振光偏振態(tài)的變化規(guī)律。通過(guò)對(duì)偏振相關(guān)損耗與線偏振光起偏角和雙折射大小的仿真分析可知,不同起偏角的線偏光對(duì)線雙折射的敏感度不同。在線雙折射的影響下,偏振相關(guān)損耗峰值隨起偏角大小呈周期性變化,對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量的靈敏度產(chǎn)生影響,而與磁感應(yīng)強(qiáng)度的線性關(guān)系并未發(fā)生變化。

基于光纖布拉格光柵的應(yīng)變測(cè)試原理,在天津奧體中心體育場(chǎng)的鋼屋蓋結(jié)構(gòu)中,運(yùn)用光纖布拉格光柵進(jìn)行吊裝和撤撐的長(zhǎng)期應(yīng)變測(cè)試,并詳細(xì)介紹了等強(qiáng)度懸臂梁的測(cè)試和長(zhǎng)期荷載試驗(yàn),以及在天津奧體工程中的測(cè)試部位布置和傳感器安裝的過(guò)程。結(jié)果表明,用光纖布拉格光柵系統(tǒng)測(cè)試鋼結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力是切實(shí)可行的。同時(shí),使用光纖布拉格光柵對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)具有良好的發(fā)展前景。

理論分析和模擬計(jì)算了少模光纖布拉格光柵基模及高階模的耦合與傳輸特性,得到在相同外部折射率變化情況下,少模光纖基模與高階模耦合對(duì)應(yīng)的布拉格波長(zhǎng)變化,比正、反向基模之間耦合對(duì)應(yīng)的布拉格波長(zhǎng)變化顯著增大。實(shí)驗(yàn)上制作了少模光纖布拉格光柵,測(cè)量了基模之間以及基模與高階模之間對(duì)應(yīng)的布拉格波長(zhǎng)隨外部折射率、溫度變化的情況,得到與理論分析相符的結(jié)果。而對(duì)于溫度變化對(duì)折射率測(cè)量結(jié)果干擾的問(wèn)題,提出了通過(guò)計(jì)算布拉格波長(zhǎng)差來(lái)克服溫度影響的方法。這些結(jié)果為采用布拉格光纖光柵測(cè)量外部折射率變化提供了一種新的途徑。