光纤布拉格光栅传感解调技术及应用研究

光纤布拉格光栅(FBG)传感技术是上世纪七、八十年代逐渐形成的一门光学传感技术分支。因其具有良好的电磁兼容性、绝缘性、耐腐蚀性和复用组网等特点,在结构健康监测、石化勘探、航空航天、电力能源等领域有着潜在和广泛的应用。本论文主要结合水下隔水管应力应变监测以及FBG传感系统光源和解调集成模块关键技术等需求,开展特殊环境使用的FBG传感器解调技术并研制相应的解调装置。具体完成的工作和创新点如下:(1)设计并研制出采用双栅匹配及反射工作模式的FBG压力传感解调仪。该解调仪可以实现1548.221~1553.418nm范围的波长解调,解调灵敏度大于等于147.91ms/nm,线性度优于99.8%。(2)研制出采用光纤法布里-珀罗可调谐滤波器(FFP-TF)的改进型FBG压力传感解调仪。该解调仪综合运用环控措施和单点校准方案解决了法布里-珀罗(FP)滤波器的温度漂移问题,线性度优于99.8%。较双栅匹配法解调仪的优点在于,可以通过硬件配置扫描驱动放大率和偏置电压,结合FP自身自由光谱范围(FSR)较宽的特点实现不同测量范围不同测量精度的组合。(3)采用透镜-光栅-透镜结构线阵探测器光栅光谱仪模块,研制出便携式FBG解调仪,并在硬件上实现亚像素算法,将该模块的物理分辨率提高了17倍;基于超辐射发光二极管(SLD)并通过对其温度、电流和光功率的反馈控制,研制出FBG传感用便携式光源;结合隔水管FBG应力、弯矩监测需求,研制出三个版本的光谱解调装置,完成了上位机软件编写、单机调试及系统联调,并进行联机湖试和海试。(4)详细分析了半导体光放大器(SOA)的理论模型,讨论了基于该器件的环形扫描激光器工作原理和特性。仿真结果显示:①在电激励下,SOA首先发出纹波振荡形状的放大自发辐射(ASE)噪声,该噪声在FFP-TF选频滤波作用下经若干次循环最终形成稳定的激光输出;②随着FFP-TF上的驱动电压变化,即滤波带改变,可以形成扫描激光输出,并且扫描宽度大于ASE谱宽度;③随着注入电流的减少,当腔内的损耗大于增益时,激光停止输出,可以通过参数预估该阈值电流的大小;④不同输出耦合率(反馈比例)情况下,其激光输出能量与扫描带宽也可以用本模型估算出。(5)采用Giles模型分析了不同滤波器中心情况下,Er3+纤组成的环形扫描激光器的输出光功率,并与实验进行了比较,结果显示:①最大输出激光功率符合得较好,但是仿真谱相比较实验谱出现红移,而且两者的扫描范围相比掺铒光纤放大器(EDFA)的增益谱宽,且红移,这可以通过一次激发的光子和二次激发的光子唯象地进行解释;②实验中最大输出激光功率为14.38mW,相应波长为1555.360~1562.065nm,从1528.243~1594.613nm,光功率变化为7.34mW;③实验中,由于FFP-TF的特性,随着驱动电压增加,激光波长蓝移,且平均扫描速率为6.74nm/V。此外,本文详细分析了氰化氢(HCN)气体吸收池的光谱特性以及增加吸收深度的方法,并将其用于掺Er3+光纤环形腔扫描激光器FBG解调实验中作为波长参考,结果表明,解调系统的分辨率为1pm,误差~4.3pm;结合飞机驾驶杆力FBG传感和冗余要求,设计出基于掺Er3+光纤环形腔扫描激光器的解调仪,完成部分原理样机的研制。