【正文】 傅立葉變換法傅立葉變換法也是一種分析光纖光柵的重要方法，主要用于對(duì)模擬反射率較低的光纖光柵的光譜特性進(jìn)行分析，具有簡單快捷、清晰明了等優(yōu)點(diǎn)；但是對(duì)于反射率較高的光纖光柵來說具有較大的偏差。傳輸矩陣法的優(yōu)點(diǎn)是可以省去繁瑣的數(shù)學(xué)運(yùn)算，借助于數(shù)值計(jì)算方法，就可以利用電磁場的麥克斯韋方程，對(duì)光波在不同波導(dǎo)中的傳播過程進(jìn)行仿真分析，不足之處是在失效于折射率畸變區(qū)域，對(duì)于比較復(fù)雜的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，對(duì)某些物理過程的深刻理解將受到計(jì)算過程自動(dòng)化的影響，該理論是由Agrawal等人提出的,主要研究內(nèi)容如下：光波通過光纖光柵前后，光場之間的關(guān)系可以表示如下： （220）式中F矩陣為： （221）其中各個(gè)矩陣元素分別為： （222） （223） （224） （225）其中，為光纖光柵的耦合系數(shù)，為 Bragg中心波長，為光柵相位。假設(shè)一束光從入射到長度為的均勻周期光纖光柵中，可以得到和，考慮到反射光的歸一化振幅和反射率，則可得到光柵的復(fù)反射系數(shù)和反射率為： (216) (217)當(dāng)時(shí)，因，由公式(212)可得到，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： (218) (219)可以看出，與并不相等，而是受到調(diào)制深度的影響，有一個(gè)偏差。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： (210) (211)式中，,ζ＋表示自耦合系數(shù)，定義為： (212)式中為相對(duì)于布喇格波長的失諧量，與無關(guān)，表示為： (213)其中，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。利用(23)和(24)式，可對(duì)光纖光柵的光譜性質(zhì)進(jìn)行細(xì)致分析。因而可用類似(26)式的形式來描述纖芯折射率，但是需用代替。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： (26)式中，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，為表示啁啾的參量。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。它的不足之處是不適用于非均勻光纖光柵的分析，且受到問題邊界條件的限制,得到的解析解有限?！●詈夏＠碚擇詈夏＠碚撌欠治龉饫w光柵的基本的方法，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠詮釋光波在波導(dǎo)中的物理行為?！」饫w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。由上式可知，參量 的變化或 的變化，都將導(dǎo)致反射光中心波長的漂移。5第2章 光纖光柵的傳感原理第2章　光纖光柵的傳感原理　光纖光柵的理論模型光纖光柵芯區(qū)折射率的周期變化將改變光纖光柵的波導(dǎo)條件，從而使一定波長發(fā)生相應(yīng)的模式耦合，使得其反射光譜和透射光譜對(duì)該波長出現(xiàn)奇異性。（2）解調(diào)系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)該部分先簡單介紹了整個(gè)解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合實(shí)際選取了解調(diào)方案中的相關(guān)器件，介紹了其工作原理?！”疚牡闹饕ぷ鞅疚脑趯?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。如，40個(gè)光纖光柵傳感器被用于開發(fā)分布式氫氣泄漏傳感系統(tǒng)，這個(gè)分布式氫氣泄漏傳感系統(tǒng)是由美國馬里蘭州大學(xué)工程學(xué)院用光纖光柵開發(fā)得到的。另外，電類傳感器在石油化工業(yè)中的應(yīng)用受高溫操作要求和長期穩(wěn)定性的限制。德國國防發(fā)展局將光纖光柵傳感粘貼在飛機(jī)機(jī)翼上，對(duì)飛機(jī)飛行過程中機(jī)翼的應(yīng)變和溫度變化情況進(jìn)行了監(jiān)測。（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。1999 年，120個(gè)光纖光柵傳感器被安裝在美國新墨西哥 Las Cruces 10 號(hào)洲際高速公路上的一座鋼結(jié)構(gòu)橋梁上，是當(dāng)時(shí)世界使用光纖光柵傳感器最多的橋梁。把傳感器外加于結(jié)構(gòu)或嵌入混凝土結(jié)構(gòu)中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的檢測。到目前為止，光纖光柵傳感器己經(jīng)在民用工程、航空航天、石油化工、電力、醫(yī)療、船舶工業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[3]?！」饫w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。變跡光柵對(duì)均勻光柵的反射譜具有很強(qiáng)的抑制邊模振蕩的作用。超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵具有特殊的濾波特性、嚴(yán)格的波長間隔以及結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成和低成本等特點(diǎn)，正因如此，它已引起了研究學(xué)者廣泛的研究興趣，用超結(jié)構(gòu)光纖光柵構(gòu)成的新型光子學(xué)器件在WDM 光纖通信網(wǎng)中有著很好的應(yīng)用潛力。啁啾光纖光柵(Chirp Grating)分為線性和非線性兩類，常見的啁啾光柵為線性的，它能產(chǎn)生較大的反射帶寬和穩(wěn)定的色散，因此被廣泛應(yīng)用于對(duì)大容量密集波分復(fù)用系統(tǒng)的色散補(bǔ)償?！》蔷鶆蛑芷诠饫w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。它是一種透射型光纖光柵，它通過把導(dǎo)波中某波段的光耦合到包層中來損耗掉，而不是將其反射。關(guān)于閃耀光纖光柵的應(yīng)用已經(jīng)被許多國內(nèi)外學(xué)者提出,如可用于對(duì)干涉型傳感器的查詢，對(duì)偏振高敏感的裝配器以及傅立葉變換分光計(jì)等。（2）閃耀光纖光柵閃耀光纖光柵也被稱為傾斜光纖光柵，這種光柵與光纖布拉格光柵不同之處在于光柵的波矢方向與光纖的軸線方向有一定的夾角。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)。（1）光纖布拉格光柵(FBG)光纖 Bragg 光柵是最早出現(xiàn)的一種光纖光柵，結(jié)構(gòu)簡單，同時(shí)也是目前應(yīng)用最為廣泛的一種光纖光柵?！【鶆蛑芷诠饫w光柵均勻周期光纖光柵指該光柵的柵格周期是沿光纖的軸向保持不變的?！」饫w光柵的分類光纖光柵是物理結(jié)構(gòu)呈周期性分布的一種光纖導(dǎo)波介質(zhì)。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。此后，國內(nèi)外眾多科研院所和專家學(xué)者對(duì)長周期光纖光柵進(jìn)行了大量的研究工作，研制完成了一些特出用途的光纖光柵。1996年，ATamp。在同一年， 等人又提出了一種更為簡單有效的提高光纖光敏性的方法，即低溫高壓載氫技術(shù)；這種制作方法大約可以使光纖的敏感性提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而且極大的降低了 FBG 的制作成本。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。后來直到1989 年，在美國聯(lián)合技術(shù)研究中心， 等人利用準(zhǔn)分子激光泵浦倍頻激光器輸出的 244nm 的紫外光作為光源，用分振幅干涉法在摻鍺石英光纖上做出了第一個(gè)位于通信波段的布拉格光纖光柵(FBG)，解決了光柵制作困難等技術(shù)問題，光纖光柵的研究才得到飛速的發(fā)展。　光纖光柵的發(fā)展動(dòng)態(tài)1978 年，在加拿大， 等人通過在試驗(yàn)中觀察到的摻鍺光纖的光敏性的特點(diǎn)，并采用駐波干涉法制成第一個(gè)光纖光柵，又稱“Hill”光柵，開創(chuàng)了光纖光柵研究與應(yīng)用的先河。雖然這些振動(dòng)的頻率不高，但是實(shí)際中，許多情況對(duì)測量系統(tǒng)靈敏度的要求較高，因?yàn)檫@些振動(dòng)信號(hào)中包含有設(shè)施的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息，是對(duì)設(shè)施進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、故障識(shí)別、運(yùn)行狀態(tài)判定的主要依據(jù)，而在光纖光柵傳感器的實(shí)用化進(jìn)程中，波長解調(diào)技術(shù)和解調(diào)裝置毋庸置疑又是光纖光柵傳感器的關(guān)鍵技術(shù)之一。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]。相位型光纖振動(dòng)傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于靈敏度很高，缺點(diǎn)是具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，不利于全光纖化和集，另一方面易受環(huán)境的干擾，因光纖中的相位對(duì)環(huán)境尤為敏感。尤其是光纖光柵（FBG）關(guān)于振動(dòng)傳感方面的研究得到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注與青睞。1989年Meltz成功的實(shí)現(xiàn)了光纖光柵紫外光側(cè)面寫入[1]，從那以后，利用復(fù)用技術(shù)，包括波分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用以及空分復(fù)用，光纖光柵被用來對(duì)溫度、 應(yīng)力、加速度、電流、強(qiáng)磁場等物理量進(jìn)行傳感檢測。 Tunable F P filterIII目錄摘要 IAbstract II第1章　緒論 1　課題研究的背景與意義 1　光纖光柵的發(fā)展動(dòng)態(tài) 2　光纖光柵的分類 3　均勻周期光纖光柵 3　非均勻周期光纖光柵 4　光纖光柵傳感器的研究現(xiàn)狀 5　本文的主要工作 6第2章　光纖光柵的傳感原理 7　光纖光柵的理論模型 7　光纖光柵的基本理論 7　耦合模理論 7　傳輸矩陣法 10　傅立葉變換法 11　光纖光柵的傳感原理 12　光纖光柵的應(yīng)變傳感特性 12　光纖光柵的溫度傳感特性 14　本章小結(jié) 14第3章　光纖光柵振動(dòng)解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 15　光纖光柵的解調(diào)方案 15　光譜儀檢測法 15　邊緣濾波器法 16　匹配光柵法 17　非平衡 MachZehnder 干涉法 18　可調(diào)諧FP濾波法 19　光纖光柵振動(dòng)解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20 光纖光柵振動(dòng)解調(diào)系統(tǒng) 20 系統(tǒng)解調(diào)原理 21　光路設(shè)計(jì) 23　寬帶光源 23　光纖耦合器 24 FP腔 24　可調(diào)諧 FP 濾波器 26　本章小結(jié) 27第4章　MATLAB仿真 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。關(guān)鍵詞 光纖光柵；振動(dòng)解調(diào)；可調(diào)諧FP濾波器IAbstractFBG (fiber grating) has developed rapidly in recent years, and its sensing application research has aroused widespread concern. With the development of optical fiber sensing technology, optical fiber grating sensor received extensive worldwide attention, because of the advantages of its corrosion resistance, high insulation. Optical fiber grating sensor has achieved a wide application in the fields of civil engineering, aerospace and other fields. This article focuses on fiber Bragg grating (FBG) vibration sensor system research, also focuses on the FP filterbased demodulation scheme. Including the following:Make detailed description of fiber grating from the development of fiber grating dynamic, classification and fiber grating sensor research status, and other aspects of the problems.Make the mathematical model of fiber grating using the mode coupling theory. Based on the transmission of the fiber grating theory, make detailed theoretical analysis of axial strain on fiber grating temperature characteristics, and deducted the corresponding sensor model.It describes several fibers grating sensing technologies, and identified tunable FP filter method as the demodulation scheme. Introduces the working principle of the modulation scheme, on which the 2 2 and 3 3 coupler is constituted to MZ interferometer wavelength fiber grating demodulation methods for the study of the sensing system and established a model for the relevant theoretical analysis, the relevant mathematical equations, to