论文题目: 环形干涉光纤传感器若干关键问题研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 光学工程
作者: 毛献辉
导师: 田芊,章恩耀
关键词: 环形干涉光纤传感器,多功能集成光学芯片波导,相位调制解调,温度效应,信号检测
文献来源: 清华大学
发表年度: 2005
论文摘要: 伴随光纤通讯技术日新月异的发展,光纤传感技术得到长足进步。作为光纤传感器的一个重要组成部分,环形干涉光纤传感器凭借其高灵敏度在光纤陀螺方面得到了成功的应用。本论文以光纤陀螺为例,针对环形干涉光纤传感器面临的问题,就温度对环形干涉光纤传感器的关键器件——多功能集成光学器件(简称 Y 波导)的影响及其补偿、循环干涉光纤传感器的信号检测方法等若干关键问题进行了深入研究,并提出具体解决方案。这些问题的解决,将有助于推动环形干涉光纤传感器的应用。环形干涉光纤传感器信号检测基于相位调制解调技术。Y 波导是环形干涉光纤传感器常用的相位调制器件,半波电压是它的一个关键参数。本论文提出了一种基于线性调频外差干涉技术测量 Y 波导半波电压的新方法。这种方法克服了以往测量方法不准确的缺点,极大地提高了半波电压测量的精度,测量误差小于 1‰。温度是影响环形干涉光纤传感器性能的主要因素。环形干涉光纤传感器的光学元件对温度敏感性造成了传感器在零位漂移和标度因数等方面的不稳定性。本文分析并测量了 Y 波导的温度特性,并针对 Y 波导温度特性对环形光纤传感器的影响,提出一种双闭环系统的补偿结构。实验证明采用这种双闭环的补偿结构可以有效地抑制 Y 波导温度特性对传感器动态性能和标度因数的影响,提高了环形干涉光纤传感器的性能。本文设计并制作了环形干涉光纤传感器的信号处理系统和数据通讯接口电路,对电路系统进行了硬件调试和实验研究。运用 DSP 数字信号处理技术,实现环形干涉光纤传感器的系统功能、Y 波导温度特性的补偿技术以及循环干涉光纤传感器的信号检测。循环干涉光纤传感器中光信号在光纤环中多次循环,在输出端各次循环的干涉信号混叠在一起。如何有效地进行信号检测是这种传感器能够实用的关键。本论文针对循环干涉光纤传感器提出了一种脉冲调制的信号检测方法,这种方法能有效地分离不同循环次数的干涉信号,在此基础上进行信号检测,并在实验中实现了对循环 1 次和 2 次的光信号的分离检测。
论文目录:
第1章 引言
1.1 论文研究目的和意义
1.2 环形干涉光纤传感器原理及其应用
1.2.1 环形干涉光纤传感器原理
1.2.2 环形干涉光纤传感器的关键器件
1.2.3 环形干涉光纤传感器的检测方法
1.2.4 环形干涉光纤传感器的应用
1.3 环形干涉光纤传感器面临的问题
1.3.1 国内外光纤陀螺研究进展
1.3.2 环形干涉光纤传感器面临的问题
1.3.3 循环干涉环形光纤传感器及其关键问题
1.4 本论文的研究思路
1.5 本论文的主要内容
第2章 基于LFM 外差干涉技术的Y 波导半波电压测量
2.1 Y 波导相位调制器基本原理
2.1.1 铌酸锂晶体的电光效应
2.1.2 Y 波导制作技术
2.1.3 Y 波导相位调制的基本原理
2.2 Y 波导半波电压测量常用方法
2.2.1 Mach-Zehnder 干涉仪法
2.2.2 Sagnac 光纤干涉仪法
2.2.3 讨论
2.3 Y 波导半波电压测量的一种新方法
2.3.1 线性调频（LFM）外差干涉原理
2.3.2 基于LFM 外差干涉原理的测量装置
2.4 Y 波导半波电压的测量
2.5 Y 波导半波电压测量装置的改进
2.6 本章小结
第3章 Y 波导温度特性及其补偿技术实验研究
3.1 Y 波导温度特性
3.1.1 Y 波导半波电压与温度的关系分析
3.1.2 Y 波导半波电压与温度关系的测量
3.2 基于Y 波导相位调制的信号检测方法
3.2.1 Y 波导方波调制与信号开环检测方法
3.2.2 采用Y 波导的闭环检测方法
3.3 Y 波导温度特性对光纤陀螺影响的分析
3.3.1 数字闭环光纤陀螺的传递函数
3.3.2 Y 波导温度特性对光纤陀螺标度因数的影响
3.3.3 Y 波导温度特性对光纤陀螺动态性能的影响
3.4 Y 波导温度特性补偿技术实验研究
3.4 1 Y 波导温度特性补偿方法
3.4 2 Y 波导温度特性的补偿技术实验
3.5 本章小结
第4章 环形干涉光纤传感器光电系统的研制与实验
4.1 环形干涉光纤传感器光学系统的研制
4.1.1 普通光纤陀螺光学系统的研制
4.1.2 循环干涉光纤陀螺光学系统的研制
4.2 基于DSP 技术的信号处理系统
4.2.1 DSP 的选型
4.2.2 FPGA 的选型
4.2.3 A/D 和D/A 芯片的选型
4.2.4 电源管理及电平转换器件的选型
4.2.5 基于DSP 技术的信号处理系统实验研究
4.3 光源的驱动与温度控制
4.3.1 光源的驱动电路及其实验
4.3.2 SLD 的温度特性
4.3.3 温度控制电路及其实验
4.4 数据通讯模块
4.4.1 异步串行通讯简介
4.4.2 通讯模块硬件结构
4.5 环形干涉光纤传感器软件实现
4.5.1 FPGA 的编程
4.5.2 DSP 中的寄存器功能
4.5.3 DSP 的定时器编程
4.5.4 环形干涉光纤传感器系统实现
4.5.5 通讯功能的实现
4.5.6 Y 波导补偿及循环干涉光纤陀螺的功能实现
4.6 环形干涉光纤传感器光电系统的实验研究
4.6.1 陀螺光路的两个重要参数的测量
4.6.2 通讯实验
4.6.3 环形干涉光纤传感器系统开环和闭环检测
4.6.4 系统零偏稳定性实验
4.7 本章小结
第5章 循环干涉光纤传感器信号检测方法实验研究
5.1 循环干涉光纤传感器信号分析
5.2 循环干涉光纤传感器信号检测方法
5.2.1 调制与解调方法
5.2.2 闭环检测方法
5.2.3 循环干涉方案的信号检测方法的仿真
5.3 循环干涉光纤传感器开环检测实验研究
5.3.1 循环1 次信号和循环2 次信号光强测量
5.3.2 用1 次循环信号的开环检测
5.3.3 用循环2 次信号的开环检测
5.3.4 开环实验结果讨论
5.4 循环干涉光纤传感器闭环检测实验研究
5.4.1 用1 次循环信号实现闭环检测
5.4.2 用2 次循环信号实现闭环检测
5.5 循环干涉光纤传感器实验结果讨论
5.6 本章小结
第6章 结论
6.1 论文工作总结
6.2 论文工作的创新性
6.3 今后工作的展望
参考文献
致谢与声明
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
发布时间: 2006-06-29
参考文献
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