大規(guī)模光纖光柵陣列制備及其查詢關鍵技術研究.pdf

1、準分布式光纖光柵傳感網(wǎng)絡具有靈敏度高、響應速度快、方便波長解調、耐腐蝕、抗電磁干擾等特點，已經(jīng)在工程中獲得廣泛應用。但在諸如復雜結構監(jiān)測、火災報警、周界安全等重大工程領域，要求傳感網(wǎng)絡的監(jiān)測點多達上千個，傳統(tǒng)的組網(wǎng)方式面臨技術和成本的雙重挑戰(zhàn)，開發(fā)大規(guī)模光纖光柵傳感網(wǎng)絡的需求尤為迫切。波分復用（WDM）和時分復用（TDM）技術是目前擴展網(wǎng)絡容量的主要方法，但受帶寬及噪聲的限制，復用光柵的數(shù)量只有數(shù)十個。諸如頻分復用(FDM)、碼分多址（

2、CDM）等技術相對復雜，且復用能力也十分有限。近年來，具有大規(guī)模復用潛力的弱光柵成為研究的熱點。但采用常規(guī)串行熔接構建弱光柵陣列，接點累積損耗大，可靠性差，嚴重限制了傳感陣列的規(guī)模。與此同時，弱光柵反射信號強度低，信號分離困難，如何實現(xiàn)對大規(guī)模弱光柵陣列快速查詢也是業(yè)界公認的難題。國內外相關科研團隊針對上述問題進行了多年的研究，但進展緩慢。本文針對大規(guī)模光纖光柵傳感網(wǎng)絡中光柵陣列構建及查詢的技術難題，研究了光柵陣列復用和制備的相關理論，

3、采用在線刻寫技術制備超弱光柵，通過時分/波分混合復用構建大規(guī)模光纖光柵陣列；提出了光柵陣列相敏查詢方法，研制了大規(guī)模光柵陣列相敏查詢系統(tǒng)及超弱光柵陣列質量檢測系統(tǒng)，解決了大規(guī)模光纖光柵傳感系統(tǒng)構建的技術瓶頸，并獲得初步應用。主要研究內容包括：
　?、欧治隽斯饫w光柵陣列的復用理論，重點研究了全同超弱光柵TDM陣列的特性，提出采用超弱光柵混合復用方法構建大規(guī)模傳感陣列。研究表明：采用-35dB以下的超弱光柵構建大規(guī)模光柵陣列，可有效降

4、低串擾，同波長光柵復用數(shù)量可達到1000個；采用TDM+WDM分段混合復用，單根光纖上串行復用光柵的數(shù)量有望達到數(shù)千個。
　?、品治隽讼辔谎谀７ㄖ苽涔鈻诺幕纠碚摷瓣P鍵技術，采用高摻鍺光纖、硼鍺共摻光纖、普通光纖在線制備弱光柵陣列；分析比較了三種光柵陣列的制備效果，遴選出適用于大規(guī)模光纖傳感網(wǎng)絡要求的最佳制備方案。實驗結果表明：在普通光纖上刻寫的超弱光柵陣列具有反射率低、傳輸損耗小、性價比高的特點，更符合大規(guī)模組網(wǎng)要求。對超弱光柵

5、陣列進行高低溫循環(huán)、老化和溫度傳感實驗表明超弱光柵具備良好的傳感特性。
　?、茄芯苛酥芷谛悦}沖入射條件下大規(guī)模光柵陣列的相敏查詢方法，構建了相敏查詢的理論模型，解析了查詢過程及高精度定位的機理。對相敏查詢系統(tǒng)的功率預算、多脈沖串擾、消光比等進行了分析；研制了高性能的SOA電光調制模塊；采用雙SOA電光調制模塊構建了1310nm波段相敏查詢系統(tǒng)，并開展了實驗研究。結果表明：相敏查詢方法可有效分離大規(guī)模光柵陣列中的單光柵反射信號；基于

6、雙SOA的相敏查詢系統(tǒng)可實現(xiàn)對平均反射率-43dB超弱光柵陣列的查詢，實驗測試結果與理論分析基本吻合。
　?、妊兄屏?550nm波段大規(guī)模光纖光柵高速查詢系統(tǒng)。通過引入高速CCD解調技術，配套開發(fā)光源、脈沖 EDFA放大器和高性能脈沖信號發(fā)生器，采用Labview軟件協(xié)調控制光柵的查找和解調，實現(xiàn)對大規(guī)模光柵陣列的高速查詢。系統(tǒng)的查詢速度達到100個/秒，空間分辨率達到2m，可檢測到-53dB的超弱光柵和1000Hz以下的振動信號