干涉测距仪中光纤的特性分析

提出一种由定位干涉仪和测量干涉仪组成的光纤干涉绝对距离测量方法 ,将对光程的定位过程和对距离的测量过程分别进行 ,实现对大距离的高精度绝对测量 ,同时在测量系统中引入光纤和光纤干涉仪 ,以改善系统结构和性能。详细分析了光纤损耗特性、色散特性和偏振特性对测量系统的影响 ,并特别给出了有关色散特性影响的量化分析结果。分析表明色散特性对于系统的测量范围有较大的影响     

基于拉曼组合放大的长距离光纤传输系统

本文改进了一种实现长距离自适应补偿光纤传输的方法.在利用光纤光栅形成的谐振腔产生激光对信号光进行拉曼放大的基础上,再利用双抽运光对信号光进行拉曼放大,从而获得更高的拉曼增益以实现更长距离的自适应补偿光纤传输.使实验自适应补偿传输距离达125km(为目前国际上已报道的最长自适应补偿光纤传输距离).实验测量并理论分析了该长距离光纤传输系统的开关增益、放大的自发辐射噪声、噪声指数和光功率分布的特性,实验结果与理论模型符合很好.     

基于光纤三波长激光自混合干涉的绝对距离测量系统

研究了一种基于光纤三波长激光自混合干涉的绝对距离测量系统.系统中的光纤激光器包含三个独立的激光谐振腔,每个激光谐振腔都有作为增益介质的掺铒光纤,三个激光谐振腔利用光纤光栅作为反射镜及波长选择元件,光纤激光器能同时发出无模竞争的频率和功率都稳定的三波长激光.利用三波长激光的自混合干涉,以及干涉信号的相位小数重合方法,实现绝对距离测量.为实现绝对距离测量,三个波长中两相邻波长间距应为相等.实验中,两相邻波长间距约为10nm.系统对公称高度为11mm修正值不大于2.7μm的台阶高度进行测量,测量结果为11.000 059mm.对13.000 090mm绝对距离重复测量20次的标准差为4.4nm.     

基于反射法的光纤位移 振动传感器优化设计

采用非相干光作为光源,以平面镜为反射面,对光纤位移 振动传感器的性能进行研究。推导出光纤输出功率与测量距离的解析表达式,并详细探讨了不同光纤半径、光纤数值孔径、发射光纤和接收光纤间距、发射光纤和接收光纤轴线夹角下输出功率比与测量距离之间的内禀关系。仿真结果表明:光纤半径越小,光纤间距越大,可以测试的距离范围越小;光纤数值孔径、光纤轴线夹角越小,可以测试的距离范围越小。通过分析不同情况下,输出功率比随测量距离变化的关系,可以在实际工程应用中根据测量需要选择设计合适的传感器。此外,还对测量误差进行了分析,得到光纤轴线夹角越小,测量距离的范围越大,误差率越小,当光纤轴线夹角为0.25时,误差率约为1%。     

塑料光纤纤端光场测试结果及分析

对纤端光场进行了理论分析,分别利用塑料光纤和多模光纤作为接收光纤对塑料光纤的出射纤端光场进行了测量,并与理论分析结果进行了比较,给出了合理的调和参数.传输距离较长的塑料光纤由于高阶模的泄漏,纤端光场分布非常接近高斯分布.实验结果表明了理论分析结果和调和参数选择的合理性.     

混沌-脉冲混合信号光时域反射仪

研制了一种混沌-脉冲混合信号光时域反射仪,其工作原理是通过连续混沌光与离散脉冲光分别对光纤中的菲涅尔反射与后向瑞利散射进行高精度测量,将2次测量结果进行线性叠加得到光纤故障测量曲线,该仪器解决了传统混沌光时域反射仪无法测量光纤损耗事件的问题。实验中利用G.652.B单模光纤作为被测对象,对该仪器进行了实际测试,测试结果表明:所研制的混沌-脉冲混合信号光时域反射仪在104 km测量范围内实现了与距离无关的35 cm空间分辨率测量,对光纤损耗事件也有良好的检测效果。     

基于光纤侧边抛磨技术的醋酸浓度光纤传感器

演示了两种利用光纤侧边抛磨技术制备的用于醋酸浓度检测的光纤传感器.其中一种光纤传感器采用轮式抛磨法对光纤光栅的光栅区包层进行侧边抛磨加工而成,将醋酸溶液覆盖于光纤光栅的抛磨区,利用侧边抛磨光纤光栅反射峰波长的变化对醋酸浓度进行测量;另一种光纤传感器采用轮式抛磨法对普通单模光纤包层进行侧边抛磨加工而成,将醋酸溶液覆盖于光纤抛磨区,利用抛磨光纤插入损耗的变化对醋酸浓度进行测量.两种光纤传感器的实验都表明:光纤包层抛磨表面与纤芯的距离越小,测量分辨率越高.剩余包层厚度为 0 μm 的侧边抛磨光纤光栅传感器测量醋酸溶液浓度分辨率为6.67%;剩余包层厚度为O.5μm 的侧边抛磨光纤传感器测量醋酸溶液浓度分辨率为0.55%.     

基于薄芯光纤模态干涉技术的曲率光纤传感器

提出了一种新的基于薄芯光纤模态干涉技术的光纤曲率传感器。在单模光纤的中间部分插入薄芯光纤用于传感光路,没有插入薄芯光纤的单模光纤用于参考光路,以消除环境对曲率测量的影响。由于插入的薄芯光纤和单模光纤纤芯失配,导致包层的高次模被激发,并与纤芯模在单模光纤内形成干涉。当改变薄芯光纤的曲率时,沿纤芯和包层传播的模态和光纤长度会发生改变,使得干涉谷峰发生平移。将传感光纤的两端固定的平移台上,当调节平移台距离时,薄芯光纤的曲率发生改变,导致干涉谷峰向短波方向平移。通过观察谷峰的平移距离可以实现曲率的传感测量。实验表明,该装置具有低损耗、低成本和高灵敏度的特点。     

基于光纤环形激光器和光放大的100 km光纤布拉格光栅传感系统

在基于掺铒光纤-拉曼混合放大的可调光纤环形激光器的光纤布拉格光栅(FBG)传感系统结构基础上,提出了延长传感距离的新方法。该方法以环形掺铒光纤激光器作为光源,采用双波长拉曼放大的方法对信号进行低噪声的双向放大,系统中间的两段掺铒光纤再利用剩余的抽运功率产生自发辐射光和放大传感信号,使得整个系统能够在超长的传感距离上获得很高的信噪比。实验表明使用一只40 mW的掺铒光纤放大(EDFA)抽运源、一只170 mW的拉曼抽运源和一只2 W的拉曼抽运源,可以使整个系统的传感距离达到100km,并且传感系统的光纤布拉格光栅反射信号均能获得超过57 dB的优良信噪比,从而实现在超长距离上的光纤布拉格光栅传感。     

光纤投影双频自动轮廓测量术

提出一种双频光纤投影自动轮廓测量技术；用一分二单模光纤耦合器产生正弦光强分布的投影光栅场；将光纤一臂绕在压电陶瓷（ＰＺＴ）环上述旁瓣通过压电陶瓷环引入相移值；以改变出射端两光纤间的距离来发迹投影光栅场的空间频率，用双频光栅技术实现复杂表面自动轮廓测量。     

基于复合干涉的光纤低相干干涉传感系统研究

研究一种能够进行远程及绝对测量的光纤低相干干涉传感系统。该系统包含两个光纤干涉仪,其中一个光纤干涉仪置于被测场中感应被测量的变化,可实现远程测量;另一个光纤干涉仪解调被测量的值。运用波分复用技术,使用于解调的光纤干涉仪同时工作于低相干干涉和高相干干涉状态。用低相干干涉信号决定被测量的幅值,对被测量实现绝对测量,并使测量量程不受波长限制;同时,用高相干干涉信号对被测量进行高精度的测量。系统的测量量程为6mm,测量分辨率小于1nm,位移实验结果的线性相关系数R为0.99。     

基于人工神经网络的大量程光纤实时距离干涉测量仪

提出了一种基于人工神经网络的全光纤化大量程实时距离干涉测量仪.采用双正弦相位调制方法,即通过同时调制半导体激光器的波长和干涉仪的光程差实现外差测量.为了扩大干涉仪的测量范围和消除输出信号中的交叉敏感,采用人工神经网络进行信号处理,把两路经过初步解调的干涉信号作为输入样本,物体距离的实际值作为输出样本,对神经网络进行训练,以使其具有良好的推广能力.实验结果表明神经网络的使用不仅扩大了距离的测量范围而且提高了测量精度.     

Creep deformation measurement using quartz optical fiber

This paper describes an optical system for high temperature creep strain measurement using quartz optical fiber, super long working distance microscope and digital image processing techniques. In this system one end of the quartz optical fibers is arrayed in a small area on the specimen surface and the other end is illuminated by a laser beam. The fiber ends on the specimen surface form the spot array. The small optical spots on the specimen are tracked by a CCD camera and the images are processed by digital image processing software. The diameter of each quartz fiber is 100 μm and the fibers can be arrayed in a small area. The local strains are determined by measuring the variety of relative distance between two spots. Experimental results of local creep strain on the welding joints of 15CrMo and HK40 at 850°C are obtained.     

飞秒脉冲非对称互相关绝对测距

光学频率梳是一种重复频率与偏置频率锁定的新型光源,在频域上为频率间隔稳定的频率梳齿,在时域上为相对距离稳定的飞秒脉冲激光.光学频率梳在测距中的应用广泛,能够实现远距离高精度的测量.本实验使用飞秒激光脉冲作为光源,基于谐振腔扫描光学采样测距原理得到非对称的互相关干涉条纹,实现了远距离高精度的绝对测距.非对称互相关条纹可通过色散补偿与调节光学频率梳的重复频率得到,并通过得到的非对称的互相关干涉条纹对测距结果进行补偿.实验结果表明测距系统能够实现在50 m范围内误差为2 μm的绝对测距,测量相对误差为1.9×10^-7.     

频域反射法光纤延时精密测量

本文提出了一种应用于光纤延时系统中实现光纤延时精密测量的新方法,用以提高光纤延时测量的精度和准确性.该方法以1064 nm激光调制信号作为光源,通过测量回波信号的幅值和相位信息得到被测通道的频率响应,采用快速傅里叶逆变换得到被测目标的延时信息,实现光纤延时测量.本文通过理论分析和延时测量实验对频域反射法与传统的时域测量方法进行对比,使用频域反射法在调制频率范围10—200 MHz,采样频率间隔0.5 MHz的实验条件下,实现了3.3 ps延时测量分辨率,并证明了该方法具有比时域方法更高的测量精度,测量结果的准确性更好.     

基于重采样技术的调频连续波激光绝对测距高精度及快速测量方法研究

调频连续波激光测距方法可以实现高精度的大尺寸绝对距离测量, 且测量过程无需合作目标, 在大空间坐标精密测量领域有很高的研究价值. 而如何提高测量分辨率和实用化一直是近年来调频连续波激光绝对测距研究的热点. 本文研究了调频连续波激光测距的原理, 基于双光路调频连续波激光测距系统, 提出了通过信号拼接提高测量分辨率的信号处理优化方案, 该方案可以提高测距分辨率, 且可以降低对激光器的性能要求; 提出了可实现高速测量的简易测量方法. 设计加工了双光路光纤调频连续波激光测距系统, 利用该系统进行了测距分辨率及测距误差标定实验, 实验结果表明: 优化方案可以有效地提高测量分辨率和测量效率, 在26 m测量范围内, 测距分辨率达到了50 μm, 测距误差不超过100 μm; 快速测量方案有较高实用价值.     

光纤瞬态高温传感器及动态测试系统

为了解决特殊环境下的瞬态高温测量, 设计了一种基于黑体辐射的光纤高温传感器及动态测试系统。根据辐射测温的基本原理, 结合光纤传感技术, 采用了“接触-非接触”测量方法和光纤光栅窄带滤波技术, 提高了测量精度, 减小了背景光的影响。由于瞬态温度随时间变化快, 动态误差大, 探索了一种利用大功率高频CO2激光器作为激励源, 用激光脉冲加热被校传感器。用测得的温度信号对被校传感器进行可溯源高温动态校准的新方案。实验结果表明, 系统测温范围为800～2000 ℃, 并具有精度高, 响应快, 抗电磁干扰, 性能稳定的特点, 解决了热电偶响应速度慢, 寿命短的缺陷, 为冶金、石油、化工、武器研制等领域的瞬态高温测量提供了一种新的测试手段。     

基于布里渊散射的结构应力光纤测试技术研究

本文通过分析一定功率的脉冲光射入光纤中的布里渊散射规律,介绍了分布式光纤测量测量轴向应力的基本原理。制作实验装置,测量单独的应变模型,分析散射回来的波形图,初步了解应力在光纤布里渊散射波谱上的图像特征。将应力作用于光纤的不同位置,对比它们与无应力作用诗所得到的散射波形之间的图像差异,研究其对光脉冲在光纤传输过程中的影响规律。结果表明,应力的作用大小,作用位置的不同都会对脉冲光的传播造成影响,主要在于影响布里渊散射的斯托克斯光和反斯托克斯光。本次研究所得可以为分布式光纤测量提供参考,为分布式光纤在测量微型形变的应用中有一定的促进作用。本次研究的创新点在于使用滑轮的方法,解决同等应力在分布光纤的不同位置作用效果。     

布里渊动态光栅原理及其在光纤传感中的应用

自从2007年布里渊动态光栅被首次提出用于实现光存储以来,该技术得到了国际上的广泛关注和研究.布里渊动态光栅本质上是由相干声波场激发的折射率光栅,一般情况下两束抽运光(频率差等于光纤的布里渊频移)以相同的偏振态从光纤两端注入到光纤中,通过受激布里渊散射效应激发出相干声波场,即形成布里渊动态光栅.光纤布里渊动态光栅因具有全光产生、参数灵活可控的优点,已被广泛研究应用于光纤传感、光纤特性表征、光存储、全光信号处理、微波光子学和高精度光谱分析等.本文分析布里渊动态光栅产生和探测原理,重点探讨在高性能分布式光纤传感上的应用,这些应用包括高灵敏度温度和应变分布式传感、温度和应变同时解调、分布式横向压力传感、分布式静压力(气压或液压)传感、高空间分辨率分布式传感和高精度光谱分析.