光纖布拉格光柵特性研究及在拉曼激光雷達(dá)中的應(yīng)用.pdf

1、光纖布拉格光柵已成為信息領(lǐng)域中重要的光纖器件之一，由于其固有的抗電磁干擾性以及優(yōu)異的光譜特征，近紅外波段光纖布拉格光柵已廣泛應(yīng)用于通信及傳感領(lǐng)域。本文以近紅外波段光纖布拉格光柵特性為基礎(chǔ)，仿真并實驗研究了其在傳感領(lǐng)域的超多點復(fù)用優(yōu)勢。結(jié)合課題組激光遙感的現(xiàn)實需求，開展了可見光波段光纖布拉格光柵技術(shù)在激光雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，推動了激光雷達(dá)空基及星載平臺的分光技術(shù)發(fā)展。
　　針對目前波分復(fù)用技術(shù)限制光纖布拉格光柵傳感節(jié)點數(shù)目的問題，研

2、究了超多點時分復(fù)用的低反射率光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)采用光纖分布反饋窄線寬激光器為光源，實現(xiàn)了納秒級窄脈沖的激光驅(qū)動器，可輸出脈寬5ns的寬帶驅(qū)動信號；以電壓比較器型峰值保持電路為核心，設(shè)計了納秒級響應(yīng)時間的寬帶信號放大及調(diào)理電路，實現(xiàn)了脈寬5ns且上升時間2.2 n s的峰值信號的低速高可靠性采集。單點應(yīng)變實驗結(jié)果表明，采用串聯(lián)相同低反射率的F B G拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)，其系統(tǒng)空間分辨率達(dá)43cm，穩(wěn)定時間約為15ns，線性相關(guān)度為0

3、.9992，線性度優(yōu)于2％，測量誤差約為4%。驗證了時分復(fù)用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)高時空分辨率應(yīng)變傳感的可行性。
　　針對目前時分復(fù)用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)解調(diào)系統(tǒng)復(fù)雜的問題，根據(jù)頻譜掃描光源法以及寬譜光源邊緣解調(diào)的現(xiàn)狀，提出了基于光纖光柵光譜邊緣解調(diào)技術(shù)及校正方法，為解決光纖光柵邊緣解調(diào)存在量程的問題，提出了雙光源交替激勵傳感模式，以改善測量穩(wěn)定性與傳感精度。仿真及實驗結(jié)果表明，光纖光柵應(yīng)變量相對其施加應(yīng)力的靈敏度約為0.0497με/N，

4、傳感系統(tǒng)的單次測量最大誤差約為18με，非線性誤差為2.8%，測量平均值的相對誤差為2%。
　　由于目前拉曼激光雷達(dá)存在分光系統(tǒng)調(diào)整復(fù)雜且穩(wěn)定性差的缺陷，不利于其空基及星載應(yīng)用，結(jié)合光纖布拉格光柵優(yōu)異的分光特性，構(gòu)建了基于光纖光柵的拉曼測溫激光雷達(dá)系統(tǒng)，利用耦合模理論及傳輸矩陣模型，將現(xiàn)有近紅外波段光纖光柵技術(shù)延伸至可見光波段，結(jié)合閃耀光柵的空間光譜分光特性，設(shè)計了絕對測溫拉曼激光雷達(dá)分光系統(tǒng)，優(yōu)化分析了可見光波段光纖光柵參數(shù)。仿

5、真結(jié)果驗證了所設(shè)計拉曼分光系統(tǒng)和反演算法的可行性，為大氣溫度的高精度激光遙感探測提供新的探測手段和校正方法。
　　針對轉(zhuǎn)動拉曼分光系統(tǒng)小型化，提出了全光纖轉(zhuǎn)動拉曼分光系統(tǒng)，為改善單譜線提取導(dǎo)致信噪比較低的問題，及全天時且高精度的探測需求，提出了基于取樣光纖布拉格光柵的多級級聯(lián)分光系統(tǒng)，分析了影響取樣光纖布拉格光柵帶外抑制率的主要因素（折射率調(diào)制深度、柵區(qū)總長度、取樣周期和占空比），通過優(yōu)化獲得了取樣光纖布拉格光柵的最優(yōu)帶外抑制率。