基于VIPA的高分辨率光纤光栅传感解调的研究

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光纤布喇格光栅(FBG, Fiber Bragg Grating)传感器在压力、温度检测等领域都得到了很广泛的应用。光纤布喇格光栅传感器的中心波长由于受到外界参量的影响会发生相应的偏移,通过检测光栅最后反射的波偏移量大小能够实现对外界参量的测量。随着布喇格光纤光栅传感系统的广泛应用,想方设法设计出一种能够实现较高可重复性、稳定性和可靠性的FBG传感解调系统,是现阶段研发的热点。本文首先解读了光纤光栅传感的理论,主要包括了其理论模型、传感原理、传感特性、传感器件和系统组成。随后回顾了光纤光栅传感的发展历史,主要包括其历史、研究现状、国内外工程应用现状和技术发展的前景。再随后总结并对比分析了光纤光栅信号的解调技术。总结并分析研究了常用的信号解调方法的工作原理、性能优劣和自身特点,主要包括了可调谐光源解调法、滤波法、光栅色散法、干涉法等。分别研究了它们典型的实验原理图,并对上述解调方法的优缺点进行了分析和论述,随后还指出了在信号解调过程中存在的一些技术难点,为下一步一个新的解调系统的设计打下了基础。接着,本文对基于VIPA的光纤光栅传感系统进行了设计。主要思路是要实现一个基于VIPA和红外成像系统来做高分辨率的布拉格光纤光栅(FBG)系统,通过虚像相位阵列结合衍射光栅,使输出的光束按波长分布到二维平面上,实现波长与成像面上空间坐标的一一映射,然后使用红外成像系统来检测。最后根据实验结果对本论文进行了总结,并对后续工作进行了展望。本文针对基于VIPA的光纤光栅传感解调做了一定的研究,做的一些工作如下:(?)本文提出的波长解调的方法是全新的。用虚像相位阵列(VIPA:virtually-imaged phased array)和红外成像系统来实现高分辨率的布喇格光纤光栅的波长解调。(?)该方法的特点是整套装置没有可移动部件,具有很好的可重复性、稳定性、和可靠性。(?)通过实验对该方法进行了验证,得出结论,该方法具有较高的分辨率,系统的分辨率能小于2pm。(?)首次对虚拟相位阵列的损耗和衍射级次进行了系统的分析。(?)结合衍射级次和损耗对虚像相位阵列的入射条件进行了分析,并讨论了其光谱分辨率和空间分辨率。
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