傾斜光纖光柵傳感解調技術與網絡的基礎研究.pdf

1、光纖光柵是一種新型的光子器件，它的出現(xiàn)，使許多復雜的全光纖通信網絡和傳感網絡成為可能，并極大地拓寬了光纖技術的應用范圍。傾斜光纖光柵(TFBG)是光纖光柵的一種，它除了具有普通光纖布喇格光柵(FBG)的特點之外，還有許多獨特的優(yōu)點。
　　 本論文主要以TFBG為研究對象，對其傳感及解調特性進行了理論與實驗研究。根據(jù)TFBG所體現(xiàn)出來的不同于FBG的傳感特性，利用數(shù)據(jù)融合理論對被測量進行了更加準確的估測。結合傳感器技術、嵌入式計算

2、技術、現(xiàn)代通信與網絡技術，將光纖光柵應用到傳感器網絡中，設計了一種小區(qū)制蜂窩傳感器網絡。
　　 本論文是在國家“八六三計劃”項目(No.2006AA01Z217)、國家自然科學基金重點項目(No.60736039)的支持下完成的。本論文的主要內容為：
　　 1.闡述了光纖光柵的幾種分析方法，并利用耦合模理論與體電流理論分別對FBG與TFBG進行了理論分析。這將為以后的工作打下基礎，為實驗提供理論依據(jù)。
　　 2.

3、對TFBG的傳感特性及應用進行了研究，并且取得諸多進展，包括：
　　 (1)TFBG的纖芯模與包層模隨著溫度升高，波長偏移量是基本一致的，通過粘貼熱膨脹系數(shù)不同的基底材料，可以提高其對溫度的敏感度。
　　 (2)應變可以引起TFBG纖芯模和包層模諧振峰的漂移，而且應變對纖芯模與包層模的影響是不同的。根據(jù)TFBG的這一應變特性及溫度特性，設計了一種能同時對溫度和應變進行感測的系統(tǒng)。
　　 (3)對簡支梁的彎曲進行了

4、理論分析，首次提出了一種利用TFBG的不同模式來測量彎曲半徑的方法。簡支梁的彎曲只讓TFBG各模式的諧振峰波長發(fā)生了漂移，而各模式的諧振峰的幅度沒有改變。因此可以用TFBG波長來定義簡支梁的彎曲半徑。TFBG各模式對簡支梁彎曲半徑的響應是不同的，利用這一特性及TFBG的溫度特性，可將TFBG用于溫度、彎曲等多參量同時測量。
　　 (4)在TFBG純彎曲的實驗中發(fā)現(xiàn)，TFBG的纖芯模、包層模諧振波長對彎曲不敏感，不同的彎曲半徑會使

5、得包層模諧振峰透射功率與曲率成線性關系，纖芯模、包層模透射功率對溫度變化不敏感。利用這些性質，可以采用一個TFBG分別測量纖芯模諧振波長和透射譜功率的變化實現(xiàn)對彎曲和溫度的同時測量。
　　 3.對光纖光柵復用解調技術進行了研究，并取得了若干成果，包括：
　　 (1)在一些工程應用中，往往對系統(tǒng)分辨率沒有太高的要求，而是要求結構簡單且成本低廉的解調方案。因此，我們設計實現(xiàn)了一種雙邊沿濾波器構成的解調系統(tǒng)，這種系統(tǒng)具有成本低

6、、響應速度快、使用方便等優(yōu)點。
　　 (2)設計實現(xiàn)了一種基于TFBG的溫度不敏感的FBG應變解調系統(tǒng)。當周圍環(huán)境溫度變化時，無需另加溫度補償，就可以利用TFBG實現(xiàn)FBG應變信號的動態(tài)解調，可以消除溫度噪聲對應變信號的影響。
　　 (3)在高雙折射光纖環(huán)境的透射譜中，有多個邊沿呈現(xiàn)線性，因此可將這些線性邊沿作為邊沿濾波器組來使用。設計了一種基于高雙折射光纖環(huán)境的復用解調系統(tǒng)，這種系統(tǒng)具有結構簡單，線性邊沿較寬，易于調節(jié)

7、等優(yōu)點。
　　 4.利用TFBG的多個模式進行了應變傳感的實驗，首次提出了一種基于多傳感器參數(shù)估計數(shù)據(jù)融合的應變測量方法，這種方法首次采用了TFBG的不同模式作為多個傳感器。這種方法計算簡便，編程容易，可以獲得比有限個傳感器的算術平均值更準確的測量結果，具有較高的可靠性，可用于其它測量結果具有正態(tài)分布特性的多傳感器測量系統(tǒng)。
　　 5.簡單介紹了傳感器網絡的一般概念，首次提出了一種基于光纖光柵的小區(qū)制蜂窩傳感器網絡。傳統(tǒng)