基于傅里叶变换相位解调机制的光纤干涉仪传感技术开题报告
2022-01-25 23:34:44
全文总字数：7414字
1. 研究目的与意义及国内外研究现状
近几十年来依托光纤通信技术的发展和光纤实用化过程的完善，光纤传感器作为具有光纤诸多优点的新型传感器受到了广泛的重视和研究，并且得到了迅猛的发展。首先，光纤由于其非金属的材质使光纤传感器能够具有抗电磁干扰和绝缘的能力；其次，光纤的成分是二氧化硅，能够使光纤传感器在各种恶劣的工作环境中经受住腐蚀；再者，光纤的结构简单、成本低，细如发丝的光纤可以轻易实现光路的弯曲，使制成的光纤传感器具有体积小、铺设方便的优势；最后，光纤传感器几乎能跟各种物理、化学等现象都产生灵敏的反应，因此有着广泛的应用前景。
光纤f-p干涉仪由于体积小、结构简单和灵敏度高的优点在传感应用中已经引起了更多的关注。虽然早在19世纪末法布里-珀罗(f-p)干涉仪就已经问世了，但光纤法布里-珀罗干涉仪(ffpi)是20世纪80年代才出现，为一种基于多光束干涉理论的光纤器件，由于其对任何导致其两个反射面距离发生变化的物理量有极高的灵敏度，而且结构简单、抗千扰、重复性好等优点，随后被广泛地应用于温度、应变、振动、折射率和压力等传感领域中。光纤f-p干涉仪最大的特点是可以被制作在单根光纤内部，与传统光学f-p干涉仪相比来说，以光纤光程替代了空气光程，以光纤折射率或长度变化来调制相位，替代了传统光学f-p传感器以控制反射面的移动来调制相位。本征型光纤f-p干涉仪缺点是其两个反射面的参数很难控制在精确的范围内，如透射率、反射率、损耗等，这使得光纤内反射面想要制作出满足要求的尺寸会很难。而且，外界环境的作用很容易引起两反射面间光纤的长度和折射率的同时变化，使干涉光强的函数不再有单一参量，成为本征型光纤f-p干涉仪实用化过程很难去解决交叉敏感的难题。目前光纤干涉仪传感器多数基于波长移动解调，这种方法受光谱噪声影响非常大，其解调分辨率取决于光谱分辨率，对于较大的带宽范围，是一种很大的挑战。
本课题提出了一种基于空心光纤制作，由一个空气腔和一个石英腔级联结构的光纤f-p干涉仪，其结构简单、制作方便、可同时进行轴向应变和温度的测量。同时，本课题采取一种新的传感解调方法，运用傅里叶变换相位解调去直接解调传感量，这种方法可以有效的减少噪声的影响，在仪器灵敏度较低的状态下，也能得到更加线性合理的数据。同时，这种方法解调的分辨率不受限于光谱分辨率，在大量程传感应用中，有很大的优势。
2. 研究的基本内容
随着光纤技术的发展，运用光纤作为材料制作传感器应运而生。光纤传感器相比于传统传感器具有显著优点，如抗电磁干扰能力强，灵敏度高，成本低，制作简单。本文将基于傅里叶变换相位解调机制，设计一种双腔混合结构光纤f-p干涉仪，这种结构可以实现双参数传感，内容如下：
1. 研究光纤f-p干涉仪传感机理，以及傅里叶变换相位解调算法；
2 运用熔接技术，制作双腔混合结构光纤f-p干涉仪，研究其温度和应变传感特性；
3. 实施方案、进度安排及预期效果
实施方案：
在空气腔和二氧化硅腔混合光纤f-p干涉仪中，二氧化硅腔对于温度的灵敏度较高，而对于应变的灵敏度很低。相比于二氧化硅腔，空气腔对于温度的灵敏度非常低，而对于应变的灵敏度却极高。因此，通过矩阵解调方式，这种级联的f-p干涉仪可以实现双参数测量。我们通过熔接单模光纤和二氧化硅微管来制作空气腔，并且通过切割使得空气腔的长度为微米量级，同时再取一段单模光纤与二氧化硅微管相连，切割单模光纤，即可完成对于二氧化硅腔的制作。通过熔接二氧化硅腔和空气腔即可完成级联的光纤f-p干涉仪的制作。
4. 参考文献
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