基于偏振低相干的长距离光纤法珀压力传感系统与解调算法研究

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1、基于偏振低相干的长距离光纤法珀压力传感系统与解调算法研究ResearchonRemoteFabry-PerotPressureSensingSystemandDemodulationAlgorithmBasedonPolarizationLowCoherence学科专业：光学工程作者姓名：巨冬冬指导教师：刘琨副教授王双讲师天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年十二月摘要光纤法珀压力传感器以其抗电磁干扰、耐腐蚀、低损耗等优点，在海洋压力监测、生物医疗传感和高温油井开发等领域具有广阔的应用前景。结合低相干干

2、涉技术的光纤法珀压力传感器具有高解调精度，较宽的测量范围并可用于超长距离压力传感。本文针对长距离、高精度压力传感需求，开展了对单模光纤珐珀压力传感器结构的研究，提出了硅环结构的单模光纤法珀压力传感器；研究了单模传感系统中低相干干涉图像的特性，在此基础上提出了对重叠干涉图进行加窗的改进型绝对相位解调算法。本文的具体研究内容包括：1、介绍了光纤法珀压力传感器的传感原理，对基于单模光纤的法珀压力传感器的多光束干涉模型、光信号耦合模型和残余压力响应模型进行分析并得出传感器的最优化结构参数。然后对单模光纤MEMS法珀

3、压力传感器的制作流程和硅环结构的单模光纤压力传感器的制作流程进行介绍。接下来介绍了低相干干涉原理、典型的低相干解调干涉仪结构，并分析了偏振低相干解调干涉仪的解调原理，最后对几种常见的低相干干涉解调算法，特别是绝对相位展开算法的原理进行分析。2、搭建了基于偏振低相干的单模光纤解调系统。在分析了单模系统中干涉图像的特征后，提出了一种适用于在单模光纤法珀压力传感系统中对重叠的干涉条纹进行加窗的解调算法，并且研究了窗口形状、窗口尺度对解调结果的影响。最后证明了所提出的加窗算法具有提升干涉条纹信噪比的作用。3、首先采

4、用纳米位移台作为标准源进行单模光纤解调系统的长距离位移测量实验，以验证所提出的加窗算法的有效性。然后对两种不同制作工艺的单模传感器分别进行压力实验。实验结果表明，硅环结构的单模传感器的全量程精度优于0.053%，这证明了硅环结构的单模传感器具有良好的线性度，并且实现了20km的长距离传感。而单模光纤MEMS压力传感器的解调效果不理想，是接下来研究的重点。关键词：单模压力传感器，低相干干涉，绝对相位解调算法，空间域加窗IIIABSTRACTOpticalFabry-Perotpressuresensorhas

5、broadapplicationprospectsindeepseapressuremonitor,hightemperatureoilandgasdevelopment,biomedicalsensingandotherfieldsduetotheadvantagesofanti-electromagneticinterference,corrosionresistance,lowattenuationandsoon.OpticalFabry-Perotpressuresensorcombinedwith

6、lowcoherencedemodulationtechnologyhashighdemodulationaccuracy,widemeasuringrangeandcanbeusedforlongdistancepressuresensing.Inordertomeetthedemandsoflong-distanceandhigh-precisionpressuresensing,thispaperstudiedthestructureofsingle-modefiberopticFabry-Perot

7、pressuresensorandproposedapressuresensorwithasiliconringstructure.Afterstudyingthecharacteristicsoflowcoherenceinterferograminsingle-modesensorsystem,weproposedanimprovedphase-basedmethodbyusingafilteringwindowonthelow-coherenceinterferogram.Thespecificres

8、earchcontentsofthispaperinclude:1、Themulti-beaminterferencemodelandopticalsignalcouplingmodelofFabry-Perotpressuresensorbasedonsingle-modefiberarestudied.Aftersimulation,thebestparametersoftwostructuresofsing