串联光纤光栅测量系统串扰的分析与复用能力提高研究

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1、ClassifiedIndex:TP212（TimesNewRoman小4字）U.D.C:621（TimesNewRoman小4字）DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineering↑（TimesNewRoman小2号字）CROSSTALKANALYSISANDMULTIPLEXINGCAPACITYIMPROVEDSTUDYOFSERIALFIBERGRATINGMEASUREMENTSYSTEM↑（TimesNewRoman2号字加粗，题目太长时可用小2号字）Candidate：LiPingchuanSupervisor

2、：Prof.ZhaoXuezengAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MechantronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechantronicsEngineeringDateofDefence：Spetember,2011Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要随着光纤光栅技术的发展，抗电磁干扰、体积小、质量轻、可实现分布式测量的光纤光栅传感器日益受到重视，己从实验室研究

3、走向大规模的实际应用阶段。目前，工程检测领域尤其是大型结构健康监测中大容量、低成本、高性能光纤光栅测量系统的需求，使得提高光纤光栅测量系统的复用能力成为了一项重要的研究内容。本文以提高波分复用(WDM,WavelengthDivisionMultiplexing)串联光纤光栅测量系统的复用能力为目的，通过研究限制复用能力的串扰相关问题，建立了串联光纤光栅系统中承载传感信息的总反射光谱和总透射光谱的数学模型，获取了总反射率谱和总透射率谱的解析表达式和数值求解方法，在此基础上得到防护频带确定方法和最小方差法以提高复用能力，同时引入蒙特卡罗法以分析串扰误差。串扰是限制串

4、联光纤光栅系统复用能力的主要因素，为实现分析串联光纤光栅系统中串扰的影响，在分析串扰形成机理的基础之上，通过穷举任意阶广义多次反射的传播光路，推导出两个串联光纤光栅的总反射率谱解析表达式，以及三个串联光纤光栅的总反射率谱近似解表达式，为分析研究存在串扰的光纤光栅系统提供了基础。同时，为了提高常规WDM串联光纤光栅测量系统的复用能力，更紧凑地布置光纤光栅，建立了防护频带宽度确定方法。为进一步提高串联光纤光栅测量系统的复用能力，将最小方差法应用于分离串联光纤光栅的光谱重叠信息。基于最小方差法的有、无防护频带测量系统模型允许多个串联光纤光栅共用同一信道，因此其复用能力与

5、常规WDM系统相比得到很大提高。以两个串联光纤光栅共用同一信道为例，分析了最小方差法的检测误差，研究了误差的产生原因和影响因素，并通过实验验证了最小方差法的可行性。采用传统的地毯式搜索算法搜索极值时速度慢是最小方差法研究中一个需要解决的问题，为了提高搜索速度，使之能与常规光谱测量仪器的解调速度相匹配，分别将遗传算法、ICS算法和禁忌搜索算法用于最小方差法的搜索速度研究。通过分析各算法的影响因素，研究了三种算法的性能和搜索效果，并基于仿真实验分别比较了三种算法与传统地毯式搜索的性能差异，得到禁忌搜索算法是可与常规光谱测量仪器解调速度相匹配的一种搜索算法。为实现串联光

6、纤光栅系统中考虑所有串扰效应的串扰误差分析，将蒙特卡罗法引入到串联光纤光栅系统的光谱研究中。蒙特卡罗法可考虑任意阶多次反-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文射效应，在光纤光栅数量为任意值时，计算得到系统总反射率谱等数值解，为评价串扰误差提供了一种计算方法。以两个串联光纤光栅的总反射率谱计算为例，通过对比蒙特卡罗法的数值解与解析解，证明了方法的可靠性与准确性。通过比较光纤光栅数量不同的系统总反射率计算标准差，证明了蒙特卡罗法数值解的计算精确度不受光纤光栅数量影响。运用蒙特卡罗法的模拟光谱数据，针对三个串联光纤光栅共用同一信道的情况，分析了最小方差法的串扰误差。本文通

7、过研究串联光纤光栅系统中的串扰效应，建立了防护频带宽度确定方法和最小方差法用以提升串联光纤光栅测量系统的复用能力，利用禁忌搜索算法来提高搜索速度，基于蒙特卡罗法评价串扰误差的大小，具有很大的工程实际应用价值。关键词：光纤光栅传感器；复用能力；串联；串扰；最小方差法；蒙特卡罗法-II-AbstractAbstractWiththedevelopmentoffibergratingtechnology,fibergratingsensorhasbeentakenmoreattentionforadventagessuchasimmunitytoelectromagne

8、ticin