高速高空间分辨率光纤光栅分布式解调研究

发布时间：2020-07-01 03:39

【摘要】：随着科技的进步,结构健康监测成为研究热点,在精密机械设备领域,对传感系统的响应速度与空间分辨率等方面提出了更高的技术要求。近年来,基于光纤光栅的传感技术得到快速发展,但现有光纤光栅传感技术还难以做到同时具有较高的响应速度与空间分辨率。针对此问题,本文重点研究基于光频域反射(Optical Frequency Domain Reflectometry,OFDR)的光纤光栅分布式解调技术,以分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser,DFB)作为高速扫频光源,实现高速、高空间分辨率的光纤光栅分布式解调,主要研究内容如下:(1)研究高速、高空间分辨率光纤光栅解调关键技术。分析光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)的传感机理,仿真分析非均匀应变下的光谱特性,据此分析长光栅的分段解调法,研究OFDR的解调原理,分析OFDR系统的空间分辨率与动态范围等关键特性,对系统扫频光源进行需求分析,研究DFB的高速调谐机理,分析DFB扫频光源在OFDR系统中的适用性及存在的问题,进行DFB拍频测试,验证基于DFB的OFDR系统的动态检测范围。(2)设计并实现基于DFB的高速扫频光源。设计DFB电流调制驱动电路,测试光源出光性能,分析DFB扫频光谱、电流-波长调制线性度及动态线宽等,验证DFB高速扫频光适用于OFDR系统,针对DFB光源的幅度调制造成的干扰问题,分别在硬件与软件上提出简便的补偿方法,消除光源幅度调制干扰。(3)设计并实现高速、高空间分辨率光纤光栅解调系统。利用DFB扫频光源搭建基于OFDR的光路,设计并实现基于DFB的高速OFDR分布式解调算法,针对DFB高速扫频光源的非线性效应提出基于希尔伯特变换的修正算法,提高系统空间分辨率。(4)高速、高空间分辨率光纤光栅解调的测试与应用研究。对解调系统进行分布式光纤光栅温度测试,验证解调系统的空间分辨率,利用加速度传感器进行分布式高速振动测验,验证系统可识别的振动信号频率范围,进行系统重复性实验,验证解调系统的稳定性。在齿轮平台上进行解调系统的应用实验,通过在齿轮的齿根部位布置长光纤光栅,对运作中的齿轮进行齿根应变的分布式检测,验证解调系统的结构监测能力。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212;TN253;TH74
【图文】：

一个具有负反馈结构的运算放大器通过闭环控制实现的，而驱动能力则是通过采用带宽为 4GHz 的高速 NPN 三极管 BFG35 实现的，BFG35 的电流驱动能力达到 150mA，结电容低至 2pF，非常适用于激光器的高速驱动。根据电路结构，可推算出输出的驱动电压为：53 4In DCDRV In DCV VV R V VR R = + = + (3-1)其中，InV 是输入的线性调频信号幅度，DCV 为直流电平电压，因此通过电压-电流转化后输出的驱动电流为：13In DCDRVV VIR+= (3-2)由此可知，输出的电流与输入的信号呈简单的线性关系，实验中只需给予锯齿波型的InV ，再适当调整DCV ，即可得到在 12-100 mA 的安全范围内的周期性线性增长的驱动电流。

通过光电转换器将各个通道的光拍频信号转化为电被转化为数字信号送入计算机终端，最后通过信号处理即可解调与波长信息。测量通道是从耦合器2C 到光电转化器1PD 所组成的马赫-曾德合器2C 与合路器4C 之间连接的是两条等长光纤干涉臂，其中一条臂，待测 FLOGs 通过一个光环形器与另一条相连，光从环形器进部分都透射而损失，只有少数满足布拉格波长条件的光才能反射回形器重新进入传感光纤，因此两臂存在光程差。FLOGs 反射光与路器4C 汇合并产生拍频信号，FLOGs 上各个测量点到光环形器的频信号的频率大小。PD1参考 FBGFLOGs

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