一种提高快速光纤珐-珀非扫描式相关解调系统信号稳定性的算法

光纤珐-珀非扫描式相关解调系统的解调速度是限制其应用的一个关键问题.本文提出了基于超辐射发光二极管的快速光纤珐-珀非扫描式相关解调系统,分析了该系统的光学模型和信号特性,设计了基于小波包络提取的信号稳定性算法.理论计算表明:噪声使系统采用最大值解调时有4.33%的误差,而采用小波提取包络最大值解调算法能使解调误差仅为0.33%.研制了快速光纤珐-珀非扫描式相关解调仪,并验证了该算法的可行性.当实验系统解调频率为1.5kHz时,采用该算法解调,解调的腔长误差仅为5nm.实验结果表明:该方法有效地提高了系统的稳定性和解调准确度,为快速光纤珐-珀非扫描式相关解调法的稳定解调提供了一种有效的算法.     

并联复用光纤法-珀加速度传感器及解调方法的研究

提出了一种基于菲佐干涉仪的并联复用光纤法-珀加速度传感器的解调原理及系统,其中光纤法-珀加速度传感器是基于惯性质量引起法-珀腔腔长变化实现加速度传感的原理。针对此并联复用系统,建立了菲佐干涉仪的相对输出光强与光纤法-珀加速度传感器的法-珀腔腔长和菲佐干涉仪的厚度之间的关系模型,进一步建立了基于菲佐干涉仪的光纤法-珀加速度传感器系统的加速度传感理论模型。在此基础上对菲佐干涉仪解调并联复用光纤法-珀加速度传感器信号的原理进行了数值仿真,并对基于菲佐干涉仪解调的多通道光纤法-珀加速度传感器并联复用能力进行了分析。研究结果表明,数值仿真结果和理论分析相吻合,菲佐干涉仪解调多通道光纤法-珀加速度传感器并联复用系统具有可行性。     

基于光学相关的光纤法布里-珀罗传感器解调仪

针对当前光纤法布里-珀罗(F-P)传感器解调仪存在的结构复杂和成本较高等问题,提出一种基于光学相关原理的新型解调方案.采用平板玻璃作为光学互相关器,利用平板玻璃与F-P腔的互相关关系解调出光纤F-P传感器的腔长.建立仿真模型对解调光路进行优化设计,搭建了结构简单的单模光纤F-P传感器解调仪,该仪器仅由宽谱光源、平板玻璃、线阵CCD、柱面镜和单模光纤搭建而成.实验结果表明,腔长解调分辨率达到0.72 nm.该解调仪在光纤测井、液位测量和结构健康监测等领域中的温度、压力和位移测量中有着广阔的应用前景.     

白光干涉解调光纤MEMS压力传感器

为了在强电磁干扰、高温、高压等恶劣环境下实现压力的测量,进一步提高传感器的小型化并降低其制作成本,提出并设计了一种基于白光干涉解调的光纤法布里-珀罗压力传感器,实现了传感器的压力测量.基于微机电系统技术,采用光刻、阳极键合以及化学腐蚀的方法制作了以硅和玻璃构成的法布里-珀罗腔体,使用二氧化碳激光器对法布里-珀罗腔体与光纤进行焊接.基于白光干涉解调技术,利用斐索干涉仪与法布里-珀罗腔体的互相关关系对传感器进行了解调,并做了压力实验.实验结果表明:传感器在120~300kPa范围内具有较高的腔长变化灵敏度和线性度,分别为9.012 7nm/kPa和99.9%;传感器分辨率为0.1nm,重复性为0.1%.研究成果对低成本、高一致性光纤F-P传感器的批量制作具有一定的参考价值.     

光纤法珀应变传感器串并联混合复用的离散腔长变换解调研究

光纤法珀传感器复用的输出信号复杂,解调相当困难.为实现其串并联混合结构复用,根据光纤法珀应变传感器的双光干涉原理,阐述了传感器串并联混合复用的输出信号特征,分析了信号中各项成分对离散腔长变换方法解调结果的影响,并进行了计算机仿真.最后搭建实验平台,进行了四个传感器串并联混合复用的实验研究,证明该方案可行,解调准确度1 μm.     

调频连续波光纤压力传感器及其测量特性分析

为了满足压力测量中的高灵敏度、高分辨率、高可靠性等要求,本文提出了一种基于调频连续波激光干涉解调原理的高精度膜片式珐珀腔光纤压力传感器。首先推导了基于该原理的压力测量模型,然后搭建了一套测量装置,通过气泵向SUS631不锈钢膜片组成的密封腔连续给压,得出气压在0～600 kPa范围内变化时膜片中心(即珐珀腔腔长变化量)随气压变化的特性曲线;之后,测试25℃环境条件下不同压力测量值的稳定性,讨论引起腔长变化量漂移的原因;最后,在消除系统误差后得出了压力测量的分辨率。结果表明:该传感器的灵敏度为286.55 nm/kPa,分辨率为0.287 nm/Pa,压力传感器的测量随机误差呈正态分布。该调频连续波光纤压力传感器可以进行高灵敏度、高分辨率和高稳定性测量。     

微型非本征光纤法布里-珀罗压力传感器

设计并研制了一种新的微型非本征光纤法布里-珀罗(F-P)压力传感器。传感器采用普通的商用单模光纤和多模光纤制作。全石英结构,能长期使用,且稳定性好。传感器制作过程仅通过切割光纤、腐蚀光纤和光纤熔接实现,基于F-P多光束干涉原理测量压力。分析了F-P腔的直径、膜厚与灵敏度的关系,确定了传感器的膜厚和腔深等参量,设计了传感器的加工步骤,讨论了氢氟酸腐蚀多模光纤与熔接光纤的关键技术。用单峰谱峰波长法解调出传感器的腔长。建立了实验解调系统,实验结果表明,在0~0.1 MPa范围内,传感器线性好。     

基于157 nm激光制作的微光纤F-P折射率传感器

分析了157 nm激光制作的光纤法珀折射率传感器的传感特性.采用干涉条纹计数的方法对法珀腔的反射光谱进行解调,避免了光强波动的影响,同时具有较宽的折射率(RI)范围.在0~70℃范围内25 μm的法珀腔腔长变化量为6.25 nm,等效折射率变化为~2.46×10－4.常温下对折射率范围为1.33~1.427的甘油（丙三醇）溶液进行了测量,实验结果曲线的相关系数为0.9951,测量准确度为~3.70×10－4.     

光纤光栅法布里-珀罗传感器频分复用技术

理论分析了光纤光栅法布里-珀罗(F-P)传感器频分复用技术的原理,并给出了信号处理对腔长选取的要求。数值模拟结果表明,不同腔长的传感器具有不同的谐振条纹频率,为保证频域中的信号不发生重叠,要求不同光纤光栅法布里-珀罗传感器间的腔长之差必须大于光纤光栅的长度。进一步的实验及模拟分析结果发现,温度等待测量的变化仅仅使光纤光栅法布里-珀罗传感器的反射光谱整体平移,相应的频域信号只产生相移而形状不发生变化,因而不能采用普通光纤法布里-珀罗(FFP)传感器的腔长傅里叶变换解调法解调频分复用光纤光栅法布里-珀罗传感器的信号。根据这一特点,提出了利用自相关分析实现频分复用传感器系统信号解调的方案。     

光纤法珀传感器光楔式解调系统设计

为了实现光纤法布里-珀罗(简称法珀)传感器腔长的解调,提出一种新型光楔式非扫描相关解调系统,对该系统所采用的器件特性及结构进行分析研究。首先,通过模拟不同光谱分布的光源及不同表面反射率的光楔,分析其相关干涉信号并给出系统器件的最优化结构参数。接着通过对比鲍威尔棱镜与柱透镜在线阵CCD上的光强分布特性,实现更均匀的光谱分布。最后,给出解调系统的具体实施方案及数据处理方法。实验结果表明:光源光谱具有高斯分布且谱宽较大及光楔表面反射率R=0.5时,相关干涉信号特征明显,便于解调。最终解调系统实现在60～100μm腔长范围内误差小于0.025%的解调。这种光楔式非扫描相关解调方案可以实现光纤法珀腔的传感解调,并可以提高不同类型光纤法珀传感器功率适应性。     

具有复合式法珀腔的光纤压力传感器的解调

对由三个反射面构成的复合式法珀腔的光纤法珀压力传感器进行了输出光谱理论分析,提取了含有传感器腔长信息的包络.提出了基于干涉级次拟合的解调算法,仿真分析了传感法珀腔腔长范围为160～215μm的光谱信号.结果显示,在不同信噪比下,基于干涉级次拟合的算法可获得较好的测量准确度,同一信噪比下,该准确度不依赖腔长变化,也不依赖光谱解调波长分辨率变化.实验结果表明,基于干涉级次拟合结果曲线残差的均方根差为0.012μm,验证了该算法的有效性.     

基于可调谐激光器的局部放电光纤法珀传感器

针对局部放电测量中的光纤法珀传感器,研究了其工作点稳定和提高灵敏度的参数优化方法.通过改变可调谐激光器的波长稳定了传感器的工作点.用激光器波长调谐范围确定腔长,令玻璃薄板的反射率为1,根据单模光纤对高斯光束的耦合特性和多光束干涉原理,通过迭代算法得出光纤端面的最优反射率.基于波长调谐范围1530~1565nm的可调谐激光器,制作了自由光谱范围28nm,腔长43μm,玻璃薄板反射率大于0.97,光纤端面反射率0.52的法珀传感器.经实验测试,法珀腔光损耗为10%,条纹对比度为1.实验结果表明,基于可调谐激光器的传感器工作点稳定,可测试最小局放声压约为1Pa,达到实用要求.     

具有复合式法珀腔的光纤压力传感器的解调

对由三个反射面构成的复合式法珀腔的光纤法珀压力传感器进行了输出光谱理论分析,提取了含有传感器腔长信息的包络.提出了基于干涉级次拟合的解调算法,仿真分析了传感法珀腔腔长范围为160~215 μm的光谱信号.结果显示,在不同信噪比下,基于干涉级次拟合的算法可获得较好的测量准确度,同一信噪比下,该准确度不依赖腔长变化,也不依赖光谱解调波长分辨率变化.实验结果表明,基于干涉级次拟合结果曲线残差的均方根差为0.012 μm,验证了该算法的有效性.     

基于蓝宝石晶片的光纤法布里-珀罗高温传感器

提出并研制了一种基于蓝宝石晶片的光纤法布里-珀罗(法珀)高温传感器.该传感器采用斜端面蓝宝石光纤作传输波导,蓝宝石晶片作法珀干涉仪,"陶瓷插芯-陶瓷套管"结构做为传感器的固定结构.通过傅里叶变换-最小均方差联合算法解调传感器的反射光谱,实现了20℃~1 000℃范围内的温度测量,测试准确度为±2.5℃.该传感器具有体积小、成本低、制作简单以及重复性高的优点,可用于高温环境下稳定、精确的温度测量.     

一种基于DSP的便携式光纤EFPI传感器解调仪

介绍了一种利用数字信号处理(DSP)芯片的便携式光纤外腔式法珀干涉型(EFPI)传感器解调系统。为了实现高速度、高精度的光纤EFPI传感器的解调,提出了一种测量EFPI透射波长的算法。利用DSP通过对EFPI反射波形的实时跟踪,计算透射出的波长值,并根据标定转换为被测量。实验结果表明,解调系统的波长分辨率可达到2pm,动态测量范围高达50nm。     

一种非本征光纤法布里-珀罗传感器的信号解调算法

给出了一种基于均方误差估计的非本征光纤法布里-珀罗(EFPI)传感器的腔长解调算法。在参量估计方面, 均方误差将估计子的方差和偏差结合在一起, 具有更高的估计精度和准确度。如果给出某一个真值的一系列估计子, 则具有最小均方误差的估计子比其他估计子更为有效。在非本征光纤法-珀传感器的腔长解调方面, 则实际腔长对应于腔长均方误差估计取最小值时的腔长估计子。对一个非本征光纤法-珀压力传感器的测试结果表明, 腔长解调分辨率为0.18 nm, 对应的压力分辨率可达2.99 kPa。与传统的解调算法相比, 通过该算法可在较宽的动态范围内获得高的解调分辨率, 并实现绝对腔长的解调。     

基于宽谱光源的光纤传感波长解调系统的研究

研究制作了基于宽谱光源的光纤传感波长解调系统, 以多光纤光栅作为波长参考基准、采用可调谐光纤法布里-珀罗(F-P)滤波器作为波长扫描器件。系统中采用三次多项式拟合的方法对滤波器锯齿波的扫描电压与透射波长关系曲线进行非线性拟合, 解决可调谐光纤F-P滤波器的电压—波长非线性关系对系统测量带来的较大误差问题, 实现波长的高精度解调。采用五光纤光栅做波长参考, 单根光纤光栅传感器的解调实验结果表明：待测光纤光栅布拉格波长短期测量分辨率为3.5 pm, 长期测量稳定性为7 pm。采用该系统对光纤非本征法布里-珀罗干涉型(EFPI)应变传感器的测试结果表明, 测量应变灵敏度为2.41 nm/με, 并且应变和波长之间存在良好的线性关系, 线性相关度达到0.99991。     

光纤Fabry-Perot传感器的Fibonacci-MMSE联合解调算法

提出一种基于Fibonacci与最小均方差联合解调光纤法布里-珀罗传感器腔长的算法.利用Fibonacci搜索方法,在一系列估计值中快速搜索到对应的最小均方差的数值,并作为腔长解调结果.仿真分析了算法迭代次数与解调准确度之间的关系并进行温度测量实验.结果表明,该算法的理论平均解调误差小于2×10-5 pm,与实际腔长的拟合度优于0.9999,解调动态范围可达2.5mm;实验中,该算法腔长解调分辨率为0.15nm,对应的温度分辨率达0.03℃,解调时间少于0.03s,具有解调准确度高和运算速度快等优点.     

基于阵列波导光栅的智能服装人体测温解调系统研究

研究并实现了一种应用于智能服装中人体温度测量的阵列波导光栅解调系统。分析了系统的解调原理,搭建了光纤布拉格光栅解调实验平台,采用了强度法解调出光纤光栅的布拉格波长,完成了光纤光栅传感器串联前后解调的实验。结果表明,系统对光纤布拉格光栅的布拉格波长的解调具有高线性度,波长测量精度可达0.001 nm,光纤布拉格光栅传感器间串扰所造成的解调误差为0.000 5 nm,人体温度的测量误差为±0.16 ℃。该解调系统精度高、串扰低,可适用于智能服装中人体温度的测量。     

基于FPGA的光纤光栅传感解调系统

针对目前光纤光栅传感器解调设备存在的问题,研究设计了更低成本、便携化、性能稳定的传感器解调设备。选择系统集成度高与环境适应性强的线阵CCD光谱成像法作为解调设备整体方案,以SOPC作为嵌入式解调内核,构建传感器解调系统,并通过实验证明,高斯拟合和频谱相关算法的解调精度较高,平均偏差在0.005 0 nm以内,分别为0.003 0 nm和0.004 8 nm,有效提高了光纤光栅传感器中心波长的解调分辨力,同时也证明设计的基于FPGA的光纤光栅传感器解调系统实现了高集成度、高分辨率的解调系统要求。