变温环境下基于气室吸收谱的FBG高精度解调方法研究

作     者：李雨晴 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张学智;蒋俊平

授予年度：2019年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：FBG 可调谐F-P滤波器 HCN气室 光谱畸变 反卷积 变温环境 

摘      要：在航天领域,航天器所处的外太空环境极其复杂和恶劣,温度有时会发生剧烈变化。用于国际输油管道的传感监测系统也面临着严峻的温湿度变化的挑战。光纤布拉格光栅（FBG）传感器,因其体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、可大量复用等诸多优点,被广泛应用于航空航天、桥梁隧道等监测领域。本文面向变温环境下基于可调谐Fabry-Perot（F-P）滤波器和氰化氢（HCN）气室的FBG高精度解调系统,针对F-P滤波透射率函数导致的HCN气室光谱畸变机理展开了研究。提出了光谱迭代反卷积算法消除F-P滤波透射率函数的影响,并得到了复原HCN气室吸收光谱。利用其作为解调系统的波长参考进行了FBG波长解调实验,验证了该方法对提高解调精度和扩大高精度解调范围的效果。具体完成工作如下:1.搭建了基于可调谐F-P滤波器和HCN气室的FBG传感解调系统,研究了F-P滤波器的滤波透射率函数导致的HCN气室吸收光谱展宽、变浅和非对称畸变的机理。分析了在HCN气室吸收光谱寻峰时该畸变对阈值设定及峰值定位两个步骤造成的影响,进而说明了其在功率加权法寻峰过程中导致的误差。2、提出了光谱迭代反卷积算法,完成了HCN气室吸收光谱的复原,从而消除了F-P滤波透射率函数导致的畸变。相比复原前的探测HCN气室吸收光谱,复原HCN气室吸收光谱各吸收线寻峰标准差明显减小,并且在1525-1530nm和1560-1565nm的C波段两侧边缘处及1541.4-1543.5nm的两“标记点处等光谱本身吸收较浅的波长区域内效果更为明显,寻峰标准差分别平均降低了54.9%、59.0%和56.1%。3.选取五支中心波长处于不同波段的FBGs在恒温环境和变温环境下分别进行实验,验证了使用复原HCN气室吸收光谱作为解调系统的波长参考的方法的有效性。结果表明,相比使用F-P标准具透射光谱,该方法在变温环境下的解调稳定性大幅度提高;相比使用探测HCN气室吸收光谱,该方法的解调精度明显提升,尤其在C波段两侧边缘和“标记点等吸收较浅的波段,变温时的波长测量误差平均降低了52.8%,标准差平均降低了47.6%,且在整个C波段的测量标准差均抑制在0.996pm以内。因此,该方法在保证温度稳定性的同时,将可精确解调的波长范围从HCN光谱吸收峰较深的波长区域扩展到了整个C波段。