摘 要

光纤光栅（Fiber Grating）在近年来发展迅速，因其质量轻、体积小、灵敏度高等优点而被广泛应用在传感和测量领域。作为传感器件，光纤光栅把被测参量的信号转化为其反射波长的偏移，即波长编码，因此可以不受光源的功率波动和系统损耗的影响。而如何对波长编码信号进行高精度的解调，是光纤光栅大规模推广和应用于实际的关键技术。本课题针对光纤布拉格光栅（FBG）传感器的复用技术，尤其是低成本复用技术进行研究，提出了一种基于多纵模F-P光源的光纤光栅时分复用解调方案。论文工作包括：

1、在综合分析和对比国内外光纤光栅复用解调方面研究现状的基础上，重点对目前常用的几种复用解调技术从原理角度进行了详细讨论，总结比较了各种方案的优缺点和适用场景。

2、在理论分析和继承课题组前期研究的基础上，设计了一种基于多纵模F-P光源的光栅时分复用解调系统。论文首先对多纵模F-P激光器进行了理论分析，得到了探测器前端接收的光谱曲线；构建了基于多纵模F-P激光器的光栅解调系统，并进行了软件仿真实验，计算出光纤延时线长度对于实验结果的影响，同时讨论了系统中影响光功率衰减的各因素。

理论和实验研究表明，随着光纤延时线长度的增加，系统光功率呈指数形式衰减，可复用的光纤光栅数目受到限制。基于F-P激光器的光栅复用系统大大降低系统成本，提高系统灵敏度和灵活性，具有潜在的应用前景。

关键词：光纤布拉格光栅，复用，解调，F-P光源

Abstract

In recent years, Fiber Bragg grating have developed rapidly. Fiber sensors have broadly been applied in the field of optical sensor and measurement due to its light weight, small size and high sensitivity. As a sensing element, optical grating transforms information measured to the movement of reflected wavelength that is wavelength coding. As a result, it can not be influenced by the fluctuation of optical source power and system loss. How to enhance the accuracy of demodulation technology is a key to make the fiber grating sensors promising in actual industry. This paper focuses on fiber Bragg grating sensor multiplexing technology, especially low-cost multiplexing technology, propose a time division multiplexing and demodulation scheme for fiber Bragg grating based on multi longitudinal F-P light source.

1. Based on the analysis and comparison of development status of fiber Bragg grating multiplexing and demodulation technology both domestic and overseas, give a detailed description to several common demodulation technologies of optical fiber Bragg grating sensor from the perspective of principle, compare the advantages and disadvantages of each various solutions and their scope of application.

2.Based on the theory analysis and inherited the previous research of research group, designed a kind of Time division multiplexing and demodulation scheme for fiber Bragg grating based on multi longitudinal F-P filter. Firstly, analyze the multi longitudinal F-P filter in the aspect of theory, receive the spectral curve from front-end detector; bulid a demodulation scheme for fiber Bragg grating based on multi longitudinal F-P filter, carry out the software simulation experiment to calculate the influence of the length of the fiber delay line on the experimental results, disscuss the influence of various factors on the attenuation of optical power.

Theoretical and experimental studies show that with the increase of the length of optical fiber delay lines, optical power of system is exponentially decaying, the number of multiplexed fiber gratings is limited. The grating multiplexing system based on F-P laser can greatly reduce the system cost, improve the sensitivity and flexibility of the system, and has potential application prospects.

Keywords：Fiber Bragg Grating，Multiplexing，Demodulation，F-P light source

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 光纤光栅传感器的复用技术 1

1.2 光纤光栅解调技术与窄带光源 2

1.3 论文主要内容及章节安排 3

第2章 光纤光栅时分复用解调的理论基础 4

2.1 光纤光栅的复用技术 4

2.1.1 波分复用技术 4

2.1.2 时分复用技术 4

2.1.3 空分复用技术 5

2.1.4 复用方案的比较 6

2.2 光纤光栅的解调技术 6

2.2.1 匹配光栅法 7

2.2.2 非平衡Mach-Zehnder光纤干涉解调法 7

2.2.3 边缘滤波法 8

2.2.4 可调谐F-P滤波器检测法 9

2.2.5 解调方案的比较 10

2.3 F-P光源介绍 11

2.3.1 F-P腔基本原理 11

2.3.2 F-P光源基本原理 12

2.4 基于F-P光源的光栅时分复用解调系统 13

2.4.1 解调系统框架 13

2.4.2 解调系统基本原理 13

第3章 光纤光栅时分复用解调系统的Matlab仿真 15

3.1 仿真系统模块的建立 15

3.1.1 F-P光源的仿真函数 15

3.1.2 光纤光栅的仿真函数 16

3.2 仿真实现及结论分析 18

3.2.1 光纤延迟线长度对实验结果的影响 18

3.2.2光源通过实验光路后的光谱图 19

3.3 本章小结 20

第4章 总结与展望 21

参考文献 22

附 录 24

致 谢 26

第1章 绪论

1.1 光纤光栅传感器的复用技术

光纤光栅作为传感元件，在最近的几年中，因其具有良好特性和强大的复用能力，引起国内外越来越多的关注。在实际的应用中，往往存在多点测量网络，利用复用技术使其在分布式传感复用系统中具有很大的优势，能明显减少引线，节约资源，目前在大型结构（如桥梁、电力系统、石油矿井和航空）的安全检测和结构监控方面已经有了大量的应用^[1]。

现有的传感器复用技术已取得很大进展，光纤光栅采用的复用技术主要有波分复用（WDM）、时分复用（TDM）及空分复用（SDM）。在光波分复用网络系统中，每个传感光栅对应的中心波长不同，对应不同中心波长的光栅占据的频带资源不同会提高功率的利用效率。但是由于传感系统的光源谱宽有限，光波分复用技术受到限制，以及各FBG传感器的波长间隔限制，现实中能复用的传感器数量并不是很高^[2]。时分复用系统可以避免波分复用网络中出现的问题，在时分复用系统中，原先限制传感器数量的被测对象的动态范围和光源带宽的条件不再成立，因此，理论上时分复用技术的复用数值很高，且由于时分复用技术的传感网络采用的是串联拓扑结构，功率利用效率很高^[3-5]。空分复用系统串扰效应小，而且不受系统带宽的限制，复用能力也比较高，但空分复用频率利用率较低^[1]。