【正文】 真 .................................................................................... 28 振動(dòng)解調(diào)系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定 .................................................................. 28 光纖 MZ 干涉儀參數(shù)的標(biāo)定 ...................................................... 28 耦合器參數(shù)的標(biāo)定 ....................................................................... 28 MATLAB 仿真 .................................................................................... 29 MATLAB 程序仿真 ...................................................................... 29 運(yùn)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)仿真 ....................................................................... 32 本章小結(jié) .............................................................................................. 37 結(jié)論 ...................................................................................................................... 38 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................. 39 致謝 ...................................................................................................................... 41 附錄 ...................................................................................................................... 42 附錄 1 ................................................................................................................... 43 附錄 2 ................................................................................................................... 45 附錄 3 ................................................................................................................... 46 附錄 4 ................................................................................................................... 49 附錄 5 ................................................................................................................... 50 第 1章 緒論 1 第 1 章 緒論 課題研究的背景與意義 近年來 ， 光纖光柵技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在傳感和通信領(lǐng)域都引起了人們的廣泛關(guān)注。而可調(diào)諧 FP 濾波法則利用法布里 玻羅腔（ FP 腔）作為濾波器，將 FBG 傳感振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的反射中心波長的漂移轉(zhuǎn)化為 FP 濾波器透過光強(qiáng)度的變化，以此來解調(diào)振動(dòng)信號(hào)的方法，它的性能穩(wěn)定，精度較高 [2]。在 1993 年， 等人又提出了位相掩模寫入技術(shù)，該方法通過紫外新激光照射相位模板，利用經(jīng)過相位掩模板衍射后的 177。現(xiàn)如今，光纖光柵在光纖光柵傳感器、光通信等領(lǐng)域的應(yīng)用取得了巨大成功，人們對(duì)其也越來越重視。這種光纖光柵具有較窄的反射帶寬和較高的反射率，并且可以通過改變寫入條件來實(shí)現(xiàn)對(duì)反射帶寬和反射率的調(diào)節(jié)。 非均勻周期光纖光柵 該類光纖光柵是指光柵周期沿纖芯軸向不均勻或折射率調(diào)制深度不為常數(shù)，光柵的光學(xué)周期沿軸向保持變化，這類光纖光柵的類型有：惆啾光纖光柵、超結(jié)構(gòu)光纖光柵、變跡光纖光柵和相移光纖光柵等。 光纖光柵傳感器 的研究現(xiàn)狀 由于光纖光柵作為傳感器有其自身所獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，如體積小、耐腐蝕、抗電磁干擾，最重要的是這類傳感器是采用波長調(diào)制的。 （ 2） 航空航天業(yè)中的應(yīng)用 在航空航天領(lǐng)域，這種傳感器也扮演者不可替代的角色。 本文的主要工作 本文在對(duì)光纖光柵的發(fā)展和傳輸理論等的詳細(xì)敘述基礎(chǔ)上，提出設(shè)計(jì)思路， 確定了解調(diào)方案，最終實(shí)現(xiàn)了解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過仿真對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。 光纖光柵的基本理論 光纖光柵 被 廣泛應(yīng)用于光纖 光柵 傳感領(lǐng)域和光纖通信中。在只考慮導(dǎo)模有效折射率擾動(dòng)的情況下，紫外曝光后光纖的折射率分布可以表示為： ? ? ? ? ? ?21 c o se ffe ffn z n z z z?? ? ? ?????? ? ?????????? (26) 式中， ? ?effnz? 是平均折射率的變化， ? 是折射率變化條紋的可見度， ?是光柵周期， ??z? 為表示啁啾的參量 。假設(shè)一束光 ??Az? 從 z??? 入射到長度為 L 的均勻周期光纖光柵中，可以得到 ? ? 02LB? ? 和 ? ? 12LA? ??， 考 慮 到 反 射 光 的 歸 一 化 振 幅? ? ? ?/22LLBA? ????和反射率 2R ?? ，則可得到光柵的復(fù)反射系數(shù)和反射率為： ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?222222 22s in hs in h c o s hLLL L i L L? ? ??? ? ? ? ? ? ??? ? ? ????? ? ? ? (216) ? ? ? ?? ? ? ?22222 2222sinhc oshLLRLL???? ????? ????? ? ? (217) 當(dāng) 0??? 時(shí)，因 0ddz??，由公式 (212)可得 到 0a???? ，再根據(jù) (213)、(214)和 (215)，可得 最大反射和該處的波長 (峰值波長 )分別為： ? ?2max tanhRL?? (218) m ax 1 eff Beffnn??????????? (219) 可以看出 ， max? 與 B? 并不相等，而是受 到 調(diào)制深度 effn? 的影響 ， 有一個(gè)偏差。傅氏變換法在光纖光柵模板設(shè)計(jì) 、 取樣光纖光柵的光譜分析等方面具有重要的應(yīng)用 價(jià)值 。 因?yàn)?應(yīng)力為零， 4 5 6 0? ? ?? ? ? ，應(yīng)變張量矩陣 j? 可以 表示為： ? ?00 Tj z z z? ? ? ? ? ?? ? ? （ 236） 彈光矩陣為： 1 1 1 2 1 21 2 1 1 1 21 2 1 2 1 14444440000000000 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 0ijP P PP P PP P PPPPP????? ?????? （ 237） 式中 ： ijP 為 彈光系數(shù)， ? 為 纖芯材料泊松比，對(duì)各項(xiàng)同性的材料 來說 ，? ?44 11 12 /2P P P?? 。其中，波長解調(diào)技術(shù)將待測(cè)信息進(jìn)行波長編碼，中心 反射 光譜為窄帶光譜， 并且 不必對(duì)光纖耦合器損耗以及光源輸出功率起伏進(jìn)行補(bǔ)償 ，這些優(yōu)點(diǎn)使其 得到了廣泛應(yīng)用。缺點(diǎn)是基本上只有在實(shí)驗(yàn)室中使用， 且 一般的光譜儀分辨率較低，無法滿足顯示應(yīng)用 的 要求，而高分辨率的光譜分析儀雖然可以滿足要求，但 是價(jià)格昂貴、體積龐大，不方便 攜帶。當(dāng)傳感光柵感應(yīng)到外界的溫度或應(yīng)變時(shí)， 中心 反射波長峰值發(fā)生漂移，此時(shí)匹配光柵 FBG2 的波長峰值與 FBG1 的波長峰值不匹配，光探測(cè)器的輸出 將 下降，此時(shí)調(diào)節(jié)匹配光柵 FBG2 ，使其反射波長峰值發(fā)生漂燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 移，當(dāng)兩個(gè)光柵的反射波長峰值再次匹配時(shí)，光探測(cè)器也相應(yīng)的達(dá)到最大值。 我的課題是基于 FP 濾波器光纖光柵振動(dòng)解調(diào)系統(tǒng)。 2 2 耦 合 器 3 3 耦 合 器ILL + Δ LI 1I 2I 3 圖 37 MZ干涉儀 由傳輸矩陣?yán)碚摽芍?22 光纖耦合器的傳輸矩陣為： 1 11 12 iT i??? ???? （ 31） 兩段長度不等的光纖傳輸矩陣為： 2 exp 001iT ????? ???? （ 32） 式中 ? ?2n= Lt?? ? ??——兩段光纖的相位差； L? ——MZ 干涉儀的臂長差。摻餌光纖的放大自發(fā)輻射 光源相比于 超輻射發(fā)光二極燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 管，具有帶寬更寬、 功率更 高、穩(wěn)定性更好、 使用壽命 更 長、易 于 與光纖傳感系統(tǒng)耦合等 優(yōu)。本文設(shè)計(jì)的光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)采用非平衡 MZ 干涉儀，其光路部分如下圖所示。 可調(diào)諧 FP 濾波法的優(yōu)點(diǎn)是其精度較高，體積小，價(jià)格低，易于復(fù)用，可以直接輸出對(duì)應(yīng)于波長的電信號(hào)。 匹配光柵法 寬 帶 光 源 耦 合 器耦 合 器 P D 檢 測(cè) 系 統(tǒng)F B G 1F B G 2匹 配 液匹 配 液調(diào)諧匹 配 液匹 配 液應(yīng) 變 圖 33 匹配光柵法 匹配光柵濾波法 采 用一個(gè)與傳感光纖光柵相匹配（參數(shù)相同）的光纖光柵來作為參考元件，使匹配光柵在驅(qū)動(dòng)元件的作用下來跟蹤傳感光柵的波長變化，進(jìn)行匹配濾波，然后通過測(cè)量驅(qū)動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與外界物理量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終獲得外界物理量的變化。其原理圖如上圖所示，被傳感光柵反射的光經(jīng)過耦合器后直接在高精度光譜儀中顯示波長的變化情況。第 3章 光纖光柵振動(dòng)解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 15 第 3 章 光纖光柵 振動(dòng) 解調(diào)系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 光纖光柵的解調(diào)方案 信號(hào)檢測(cè)是傳感解調(diào)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，傳感解調(diào)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是一個(gè)信息轉(zhuǎn)換和傳遞的檢測(cè)系統(tǒng)，它能準(zhǔn)確、迅速地測(cè)出信號(hào)幅度的大小并能無失真地再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間的變化過程，解調(diào)系統(tǒng)不僅要精確地測(cè)量待測(cè)信息的幅值，而且還要記錄和跟蹤其整個(gè)變化過程。軸向力對(duì)光纖光柵具有拉伸和伸縮兩個(gè)作用， 當(dāng)有應(yīng)力作用于 光纖光柵 FBG 時(shí)，光柵 周期 ? 會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致波長的變化 。 由 Bragg 公式 2B effn? ??可以看出，反射光波長主要由周期 ? 來決定。 應(yīng)用于 光纖布拉格光柵 時(shí)： 布喇格光纖光柵耦合主要發(fā)生于布喇格波長附近波長相同的兩個(gè)正反向傳輸模式之間，則耦合模方程可表示為： ? ? ? ?zdA i A z i B zd ??? ? ? ??? (210) ? ? ? ?z ndB i B z i A zd ??? ? ? ?? ? ? (211) 式中 ， ? ? ? ? e xp2dA z A z i z ??? ????????, ? ? ? ? e x p2dB z B z i z ??? ??? ? ?????,ζ＋ 表示 自耦合系數(shù)，定義為： 12d ddz?? ? ?? ? ? ? (212) 式中 d? 為 相對(duì)于 布喇格 波長的失諧量，與 z 無關(guān)， 表示 為： 112d effBn?? ? ? ????? ? ? ???? ?? (213) 其中 2B effn? ??， B? 是理想光柵的反射中心波長，系數(shù) ? 的虛部用來描述光纖光柵的吸收損耗。在理想波導(dǎo)情況下，這些模式之間相互正交而且沒有能量交換。由上式可知，參量 effn 的變化或 ? 的變化，都將導(dǎo)致反射光中心波長 B? 的漂移。如，40 個(gè)光纖光柵傳感器被用于開發(fā)分布式氫氣泄漏