干涉型光纤传感解调算法及技术

作     者：左国猛 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：夏历

授予年度：2021年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：干涉型传感器 高灵敏度 大测量范围 并联复用 温度传感器 

摘      要：干涉型光纤传感器,相比较其他类型传感器,它具有制作相对简单,性能可靠,测量精度高,成本低廉,更容易内联级联集成和小型化,实现多参量一体化测量。因而它受到许多研究工作者的青睐,在医学诊断、电力水利、航天航空、健康监测等领域都有着广泛的应用前景。随着市场对光纤传感器的需求日益剧增,迫切需要运用新的传感技术和解调方法来提高传感器的灵敏度、精度、测量范围和复用能力。针对这些需求,本文主要研究了游标效应光谱包络级次识别和并联型Sagnac干涉仪的多个绝对光程差的解调算法,以及基于增强型反谐振效应温度传感器传感技术。主要研究成果及内容如下:(1)针对游标效应的有效测量范围通常不超过一个自由光谱范围的问题,本文提出利用最小二乘算法和互相关算法来标定游标光谱的包络级次,进而确定光谱波长漂移的位置。由于希尔伯特变换提取的平方包络为余弦型,它的最小二乘法(互相关)曲线中相邻极小值(极大值)之间的间隔等于调和中心波长,因此调和中心波长的级次变化表征了峰值波长的漂移。通过Sagnac干涉系统产生的游标效应验证了所提方法。实验结果表明,在相同温度灵敏度的条件下,有效测量范围扩大了4.6倍。因此该方法对于扩大基于游标效应温度传感器的有效测量范围具有重要意义。(2)对于窄光谱范围的多干涉系统,传统算法解调的绝对光程差误差较大。针对这一问题,本文提出了一种迭代归一化互相关算法来精确解调多干涉系统的多个绝对光程差。通过构造组合形式的模板函数,分别基于重构矩阵法和互相关算法迭代求解模板函数各分量的最优解和绝对光程差的最优解。仿真和实验结果表明,在45～80 nm的不同光谱区间内,560μm和660μm的光程差解调精度均达到5 nm。当光程差在650～670μm范围内变化时,在55 nm光谱范围内所有解调绝对光程差精度均不超过4 nm。同时按照t分布95%置信度计算,实验测得的温度精度(0.125°C)与控制精度(0.1°C)非常接近。该算法可以提高光纤传感系统的复用能力,降低成本。(3)本文提出并验证了一种增强型反谐振效应的温度传感器。由于反谐振效应在谐振波长处同时满足马赫-曾德尔相消干涉条件,因而这一效应得以增强。对多模光纤长度对模式能量分布和传输谱的影响进行了分析。实验结果表明,对于满足增强型反谐振效应的谐振波长,它的强度对温度和应变都非常敏感,最大强度灵敏度分别为0.181 d B/℃和16.1 d B/mε。与以前的工作相比,灵敏度提高了几倍甚至几十倍。基于反谐振增强效应的传感器具有很高的强度灵敏度,在传感应用中具有很大的潜在价值。