基于长周期光纤光栅的海水多指标监测技术研究

发布时间：2021-04-16 11:27

　　海洋环境的稳定不仅对海洋生态系统具有重要意义,其变化也会对于海洋产业产生巨大的影响。海水作为构成海洋环境最主要的部分,海水的温度、p H、折射率等变化可以在很大程度上反映出海洋环境的变化,因此对海水进行监测十分必要。长周期光纤光栅（Long Period Grating,LPG）对温度、应变以及折射率变化均能产生响应,同时还具有耐腐蚀、环境适应性好、抗电磁干扰等优点,既可以单点监测也可以实现准分布式监测,非常适合用于海水环境监测。本文对长周期光纤光栅的设计参数进行了模拟,结合级联结构和镀膜技术来获得更好的传感性能。针对海水环境耦合提出了一种消除交叉敏感的思路,并利用光纤熔接技术设计了一种准分布式传感方案,主要研究内容如下:（1）介绍了长周期光纤光栅理论,研究了折射率调制深度、栅区长度、光栅周期以及光栅倾角对LPG透射谱的影响。提出光栅级联结构,通过改变间隔光纤的长度、光栅的相对长度、光栅数目和光栅倾角来调整级联光栅的输出光谱,为其在传感上的应用提供理论指导。（2）将海水温度、海水压力、海水折射率以及海水p H值作为海水监测的对象。通过模拟分别得到了LPG和级联长周期光纤光栅（Casca... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：86 页

【学位级别】：硕士

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中国主要海洋产业结构分布

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-10-型薄膜，并找到了一种解决不同海水监测对象间交叉敏感的方法。结合光纤熔接技术，研究了一种准分布式传感，作为海水准分布式监测和多参量同时测量的设计依据。通过以上介绍，总结得到本文的技术路线图如下。图1-2技术路线图

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-11-第2章长周期光纤光栅理论及级联结构设计2.1引言本章对光纤光栅的耦合模理论进行了分析推导，介绍了传输矩阵法并对长周期光纤光栅的传输矩阵进行了推导，研究了长周期光纤光栅不同设计变量对其光谱分布的影响。此外，介绍了几种常见的级联光纤光栅的耦合结构，并研究了不同的间隔光纤长度、间隔光纤位置、光栅数目以及光栅倾角给级联长周期光纤光栅透射谱带来的变化，找出适合发挥级联长周期光纤光栅传感性能的设计参数。2.2光纤光栅理论普通裸光纤是由纤芯和包层两部分组成，其中纤芯的折射率大于包层，从而保证光在光纤中传输发生全反射以减少光信号的损耗。光纤光栅是利用光敏材料的光敏性，使纤芯的折射率沿轴向发生周期性变化而形成的衍射光栅，图2-1是LPG的波导结构示意图。图2-1LPG波导结构示意图[55]长周期光纤光栅的周期比较大，在光波导的模式耦合理论中表现为前向传播的纤芯模和同向传播的包层模发生耦合，其耦合机理决定了LPG对于特定波长具有损耗能力，在光谱图上表现为一个损耗峰。也正是纤芯模和包层模之间的能量交换使得LPG表现出比FBG更加丰富的光谱特性，在传感方面也有着更加广阔的应用。2.2.1耦合模理论研究光波导的基本理论是麦克斯韦方程组，但求解麦克斯韦方程组较为困难，且只有少数情况可以求出解析解。耦合模方程是由麦克斯韦方程经过一系列推导得到的，因为规则光波导的模具有正交性，故耦合模理论的基本思想是利用可求解的光波导的解来研究受到微扰或者相互有影响的光波导。在光栅中引入周期性的


本文编号：3141336