光纤光栅动态解调系统的设计与实验开题报告

 2020-02-10 10:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

(一)研究目的意义

超声波广泛地应用在海底探潜、成像和结构健康监测等领域,是一种重要的工具,特别是对于不透明介质,深层的穿透能力使其成为一种优良的无损检测技术。迄今为止,超声波主要感测方式的核心元件仍然是压电换能器(piezoelectric transducer,PZT)。由于PZT是基于机械共振的方式感测超声波,因此其响应频带决定于自身的结构,表现为带宽窄,且不适合复用[1]。在近20年,光纤超声传感器的研究取得了极大进展。相比于传统的电类超声换能器,光纤超声传感器能够实现宽频带超声波信号的高灵敏探测,且其良好的抗干扰能力和复用性,可有效地提高超声波探测的可靠性和效率。

光纤超声传感器通过检测光纤内传输光的波长、强度、相位、偏振态等参数的变化,从而分析和感知超声波的相应信息。与传统的电类超声传感器相比,光纤超声传感器具有更加良好的抗干扰能性、复用性,能够对宽频带超声波信号进行更高灵敏度的探测。光纤超声传感器可以有效地提高探测超声波的效率,且更加可靠。按照传感结构分类,光纤超声传感器包括光纤强度调制型、光纤干涉型和光纤光栅型,可广泛应用于水下的国防安全、生物成像、无损探伤、地震物理模型成像、地质探测、资源检测等领域。

光纤强度调制型超声传感器虽然在探测声波方面具有较高的灵敏度及宽频带响应,但是仅适应于单点声波检测,传感单元复用困难,无法实现声波或超声波多点同时探测。光纤干涉型超声传感器相比于光纤强度调制型光纤超声传感器,结构更加紧凑,探测频带更宽,解调方式更加丰富,但是对温度、低频应变等参量有较高的灵敏度,探测过程中低频干扰严重,复用性差且信号不稳定,会引起较大的光损耗。

1978年,加拿大通信研究中心的Hill等刻写出了第一根光纤 Bragg光栅(fiber Bragggrating,FBG)[2],FBG超声传感器感测超声波是基于共振波长的变化,FBG声超传感器在高频超声波探测方面具有较大优越性,同其他类型的光纤超声传感器相比较优点突出:编码方式可靠,抗干扰能力强,反射波长带宽窄,易于复用。相比于光纤干涉型超声传感器复用系统复用性提高,FBG超声传感器在制作工艺、系统稳定性、大规模网络化等方面均具有明显的技术优势。

FBG本身的谐振频率是高于10MHz的,利用FBG检测超声波可以获得较平坦的响应,实现超声波的宽频检测。近年来,FBG在水听器方面获得了广泛应用。而解调方式决定了FBG超声传感器的响应速度和频谱带宽,是提高光纤光栅传感器监测性能的关键问题。光栅传感信号的解调方式众多(详细内容会在研究内容分析),大多数解调方法由于采用了波长扫描部件,只适合于静态或准静态测量;边沿滤波法则受滤波器特性的限制;干涉解调法将光栅反射光的波长变化转换为干涉光相位变化,解调精度高,可实现20kHz以上的高频信号的动态解调,其缺点是系统易受外界环境影响。

(二)研究现状分析

2015年,Guo等提出[3]且实验验证基于准同步数字系列(PlesiochronousDigital Hierarchy,PDH)稳频技术的PS-FBG传感系统。

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