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超结构光纤光栅传感特性的研究

超结构光纤光栅传感特性的研究

作者：王建军燕山大学

学位级别：硕士

超结构光纤光栅是一种新型的光纤光栅,超结构光纤光栅因其特殊的滤波特性、严格的波长间隔以及结构紧凑、易于集成和低成本等特点,已引起了广泛的研究兴趣。本文基于耦合模理论和传输矩阵法,分析了超结构光纤光栅的反射图谱,对超结构... 详细信息

超结构光纤光栅是一种新型的光纤光栅,超结构光纤光栅因其特殊的滤波特性、严格的波长间隔以及结构紧凑、易于集成和低成本等特点,已引起了广泛的研究兴趣。本文基于耦合模理论和传输矩阵法,分析了超结构光纤光栅的反射图谱,对超结构光纤光栅应变和温度传感特性进行了研究。文章从超结构光纤光栅的理论基础、反射光谱特性、超结构光纤光栅传感机理三方面展开研究。首先,论文从超结构光纤光栅的理论基础入手,分别用傅氏变换的方法和耦合模理论对超结构光纤光栅进行分析,通过分析比较这两种方法,采用耦合模理论并运用传输矩阵法解方程组,得到了超结构光纤光栅的基本理论公式,接着分析了超结构光纤光栅的光谱特性,为下文在计算机中仿真分析打下基础。其次,对均匀超结构光纤光栅、变迹超结构光纤光栅这两类超结构光纤光栅反射谱特性进行了分析。通过调整超结构光栅各参数诸如:光栅长度、折射率平均变化量、变迹函数等,从而可获得理想的反射谱特性。最终找到一种适合进行温度和应变传感实验的超结构光纤光栅。最后,在分析光纤布拉格光栅温度和应变传感模型的基础上,用计算机来仿真超结构光纤光栅温度、应变传感实验,并分析了温度、应变对超结构光纤光栅的光谱特性的影响因素,接着给出了超结构光纤光栅反射率和波长与温度、应变变化的函数关系式,同时对实验系统和误差进行了分析,为超结构光纤光栅在传感器领域中的应用提供了一定的理论依据。

关键词：超结构光纤光栅耦合模理论传输矩阵法应变温度

超结构光纤光栅在自发布里渊散射测量中的应用

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湖南工业大学学报 2008年第3期22卷 39-41页

作者：张永智王荣徐智勇周华解放军理工大学通信工程学院江苏南京210007

从理论上分析了超结构光纤光栅的滤波原理,将所研制的超结构光纤光栅滤波器应用于自发布里渊散射测量中,初步实现了自发布里渊散射信号与瑞利散射信号的有效分离及自发布里渊散射谱的测量,并给出了实验系统及实验结果,表明了该方案的可... 详细信息

从理论上分析了超结构光纤光栅的滤波原理,将所研制的超结构光纤光栅滤波器应用于自发布里渊散射测量中,初步实现了自发布里渊散射信号与瑞利散射信号的有效分离及自发布里渊散射谱的测量,并给出了实验系统及实验结果,表明了该方案的可行性。

关键词：超结构光纤光栅布里渊散射直接检测可重构-等效啁啾(REC)技术

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应变和温度变化对超结构光纤光栅光谱的影响

光通信研究 2013年第3期 49-50,63页

作者：王永皎米浩坤梁磊武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室湖北武汉430070 河南城建学院计算机科学与工程系河南平顶山467036

对由FBG(布拉格光纤光栅)和LPFG(长周期光纤光栅)构成的SFG(超结构光纤光栅),采用耦合模方程的相似变换解法,研究了应变梯度和温度梯度对SFG的透射谱和反射谱的影响。模拟结果表明,SFG在应变梯度或温度梯度的作用下,其反射光谱和ν阶包... 详细信息

对由FBG(布拉格光纤光栅)和LPFG(长周期光纤光栅)构成的SFG(超结构光纤光栅),采用耦合模方程的相似变换解法,研究了应变梯度和温度梯度对SFG的透射谱和反射谱的影响。模拟结果表明,SFG在应变梯度或温度梯度的作用下,其反射光谱和ν阶包层模的透射光谱按确定规则独立漂移,据此可以同时求出光栅所在位置的应变和应变梯度,或温度和温度梯度。

关键词：超结构光纤光栅耦合模理论应变温变

面向钢轨温度应力监测的超结构光纤光栅传感器关键技术研究

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面向钢轨温度应力监测的超结构光纤光栅传感器关键技术研究

作者：郭高冉石家庄铁道大学

学位级别：硕士

高速铁路无缝线路由于消除了大量的钢轨接头,因而具有行车平稳、乘坐舒适等一系列优点。无缝线路的运行状态日益成为威胁铁路运营安全的重要隐患。光纤光栅传感技术可实现对应变和温度的高灵敏度测量,因而采用光纤光栅对钢轨应变和温度... 详细信息

高速铁路无缝线路由于消除了大量的钢轨接头,因而具有行车平稳、乘坐舒适等一系列优点。无缝线路的运行状态日益成为威胁铁路运营安全的重要隐患。光纤光栅传感技术可实现对应变和温度的高灵敏度测量,因而采用光纤光栅对钢轨应变和温度进行监测成为铁路传感中的新兴应用。本文从无缝线路轨道工程技术以及光纤传感的交叉优势出发,设计研发了一种超结构光纤光栅传感元件,用于无缝线路钢轨应变和温度的同时测量,通过实验室模型实验进行了前期验证。本文的主要内容及结果如下:(1)采用逐点写入法设计并制作了超结构光纤光栅传感元件;采用一种结构简单、操作方便的工字型传感片作为传感器的基底材料进行传感器的制作;通过传感元件的波长漂移量能够同时测量应变和温度。(2)对所设计的超结构光纤光栅传感器进行了传感特性试验,其应变灵敏度系数最高可达2.2 pm/με,温度灵敏度系数最高为17.92 pm/oC,试验结果表明应变和温度灵敏度相比于裸超结构光纤光栅分别提高1.44和1.34倍。(3)采用实验室模型对超结构光纤光栅传感器用于无缝线路钢轨应变和温度同时监测进行了前期试验验证。通过ANSYS有限元仿真结果以及考虑高速列车的影响,确定传感器的最佳粘贴位置,利用立式油压千斤顶给钢轨施加荷载,利用电子称重传感器精确测量立式油压千斤顶给钢轨施加的荷载,将钢轨放置在加热炉内模拟轨温变化,测量钢轨应变和温度变化同时作用下传感器的波长漂移量。实验结果与理论计算结果相吻合,表明所设计的超结构光纤光栅传感器能够实现对无缝线路钢轨温度和应变的同时测量。

关键词：无缝线路钢轨温度应力监测超结构光纤光栅

油气井中超结构光纤光栅传感器系统的应用研究

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油气井中超结构光纤光栅传感器系统的应用研究

作者：张小伟北京交通大学

学位级别：硕士

本文对光纤光栅传感技术及其理论进行了系统的研究,提出了基于超结构光纤光栅的传感器在油气井中进行压力、温度测量的方案。系统分析了影响超结构光纤光栅光谱的各种参数,并进行了大量的仿真和实验,实现了具有高灵敏度和良好线性度的... 详细信息

本文对光纤光栅传感技术及其理论进行了系统的研究,提出了基于超结构光纤光栅的传感器在油气井中进行压力、温度测量的方案。系统分析了影响超结构光纤光栅光谱的各种参数,并进行了大量的仿真和实验,实现了具有高灵敏度和良好线性度的超结构光纤光栅传感器。主要内容包括:光纤光栅的基本理论和性质及其传感应用,光栅传感器的传感原理和解调方法,超结构光纤光栅的光谱特性研究,超结构光纤光栅传感器对油气井中压力、溫度等参量进行测量的仿真和实验研究。首先对光纤光栅的发展概况进行了回顾和分析,对主流的成栅技术和光栅种类进行了研究和探讨;随后对光纤光栅传感技术的研究现状进行了回顾和展望,分析和比较了目前应用于油气井下进行温度和压力测量的各种传感器。通过分析和比较发现光纤光栅传感技术是进行油气井下温度、压力测量的最佳方案,具有很好的发展前景。从理论上对超结构光纤光栅进行了详细的分析和研究。以Maxwell方程组为基础,推导出了光波导中的幅度耦合模方程组,并具体应用到光纤光栅波导结构中,推导出了布拉格光纤光栅的幅度耦合模方程组和反射谱表达式。在此基础上,通过传输矩阵法对超结构光纤光栅进行了严密的分析,得到了超结构光栅的反射谱表达式,为超结构光栅的传感应用奠定了理论基础。对光纤光栅的温度、压力、应变传感机理进行了严密的理论推导和证明,得出了外界参量变化和光栅光谱之间的密切关系,为测量方案和解调方法的创新提供了理论依据。分析研究了多种主流解调方法的优缺点,提供了不同场合下解调方案的选择。油气井下超结构光纤光栅传感器温度、应力测量研究。详细分析了光栅各参数对超结构光栅反射光谱的影响;然后分析了油气井中温度、应力等参量对光栅参数的影响,从而建立了油气井中各参量与超结构光栅光谱之间的关系。通过大量的仿真和实验,实现了高灵敏度(M=44nm/Mpa,M=0.025nm/℃,M=28.13dBm/Mpa,M=0.17dBm/℃)和良好线性度的超结构光纤光栅传感器,验证了超结构光纤光栅传感器在油气井中应用的可行性和优越性,具有很好的发展前景和应用价值。

关键词：耦合模理论超结构光纤光栅传感器油气井温度应力

基于超结构光纤光栅的正交四相光码分多址编／解码器

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光学学报 2008年第4期28卷 653-658页

作者：朱英勋王荣陈鹏谢佳麟蒲涛卢麟郑吉林解放军理工大学通信工程学院江苏南京210007 沈阳军区通信资源办公室辽宁沈阳110035

正交四相序列编码相比于二相序列具有更大的码字容量和更好的互相关特性,因此更适用于光码分多址(OCDMA)无源光接入网。提出并实现了一种基于超结构光纤光栅的正交四相光码分多址编/解码器。该编/解码器采用A族四相序列作为地址码,在制... 详细信息

正交四相序列编码相比于二相序列具有更大的码字容量和更好的互相关特性,因此更适用于光码分多址(OCDMA)无源光接入网。提出并实现了一种基于超结构光纤光栅的正交四相光码分多址编/解码器。该编/解码器采用A族四相序列作为地址码,在制作的过程中仅需一个均匀相位掩模板即可实现编码功能,并且在性能上与传统工艺制作的编码器相当。为了与不同波长信道相匹配,提出了变信道编码技术,仿真结果表明采用该技术的编码器具有更高频谱效率,因此得到更好的编/解码性能。对一个码长63,长度4.1cm的正交四相编/解码器进行了信息速率为2.5Gb/s,码片速率为156Gchip/s的编/解码实验,取得了较好的编/解码效果。

关键词：光通信光码分多址超结构光纤光栅正交四相编码

基于超结构光纤光栅的新型OCDMA编解码方案

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光电子．激光 2007年第2期18卷 197-199,208页

作者：张琦忻向军余重秀王守源全升学徐大雄桑新柱王葵如刘小磊北京邮电大学电子工程学院北京100876

提出了一种基于超结构取样光纤光栅的光码多分址(OCDMA)编解码器。以修正Walsh码为例,研究了利用间隔光0.8nm的超结构取样光纤光栅编解码器的实现方法,通过控制温度实现了基于超结构取样光纤光栅的OCDMA编解码器的变址。研究表明:采用... 详细信息

提出了一种基于超结构取样光纤光栅的光码多分址(OCDMA)编解码器。以修正Walsh码为例,研究了利用间隔光0.8nm的超结构取样光纤光栅编解码器的实现方法,通过控制温度实现了基于超结构取样光纤光栅的OCDMA编解码器的变址。研究表明:采用该编解码器实现谱域编码,可以避免光纤光栅串联方案中多个光纤光栅接点引起的损耗,易通过应力或温度变化调节中心波长、尺寸小及调谐方便,有利于实用化。

关键词：超结构光纤光栅编解码器光码分多址(OCDMA) 调谐

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基于超结构光纤光栅的双边带编/解码器

中国激光 2009年第5期36卷 1124-1128页

作者：陈鹏王荣蒲涛朱英勋卢麟郑吉林杨庆解放军理工大学通信工程学院江苏南京210018

分析了基于等效相移(EPS)技术的超结构光纤光栅(SSFBG)相位编/解码器的原理及特点,提出并实现了一种双边带编/解码器。该编/解码器在不改变光纤光栅长度的前提下,实现了+1级和+3级编解码谱的级联,并很好地继承了等效相移技术所具有的设... 详细信息

分析了基于等效相移(EPS)技术的超结构光纤光栅(SSFBG)相位编/解码器的原理及特点,提出并实现了一种双边带编/解码器。该编/解码器在不改变光纤光栅长度的前提下,实现了+1级和+3级编解码谱的级联,并很好地继承了等效相移技术所具有的设计灵活、制作精度低和与波分复用(WDM)系统兼容能力强等诸多的优点。理论及实测数据仿真结果均表明,在光脉冲源匹配最佳的前提下,双边带编/解码器较传统等效相移编/解码器而言,使得基于该光纤光栅相位编/解码器的窄带相干光码分多址(OCDMA)系统的编解码性能提高了3 dB,通过对比分析得到其本质原因在于双边带编/解码器结构提高了其单位长度内携带的相位信息量。

关键词：光通信光码分多址超结构光纤光栅相位编/解码器等效相移

基于超结构光纤光栅的自发布里渊散射检测系统设计与实现

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解放军理工大学学报（自然科学版） 2010年第3期11卷 239-242页

作者：张永智王荣徐智勇解放军理工大学通信工程学院江苏南京210007

为解决光纤背向散射信号中自发布里渊散射信号提取困难的问题,针对自发布里渊散射信号的频谱特点,设计并制作了一种双峰、波长可调结构的超结构光纤光栅滤波器。该滤波器具有滤波抑制比高、滚降特性好、线宽窄、中心波长可调、插损低、... 详细信息

为解决光纤背向散射信号中自发布里渊散射信号提取困难的问题,针对自发布里渊散射信号的频谱特点,设计并制作了一种双峰、波长可调结构的超结构光纤光栅滤波器。该滤波器具有滤波抑制比高、滚降特性好、线宽窄、中心波长可调、插损低、稳定性高等特点。通过两级超结构光纤光栅的级联,对瑞利散射信号的抑制达到约30 dB,可以把自发布里渊散射信号的2个峰同时提取出来。在此基础上,搭建了基于布里渊散射技术的全分布式光纤传感实验系统,对长度约为32 km的传感光纤进行了实验测量,在对被测光纤上长度为130、150 m的两段光纤分别施加1200μ,ε温度变化20°C时,系统较清楚地显示出应力、温度对被测光纤的作用效果。测量结果表明,该系统可以实现光纤温度及应力的变化监测。

关键词：自发布里渊散射超结构光纤光栅应力温度