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反射式强度型光纤传感器强度调制特性的数学模型与关键技术的研究

作　者: 杨华勇
导　师: 吕海宝
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 光纤传感器反射强度调制数学模型强度补偿仿真测试
分类号: TP212
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

作为光纤传感领域中重要的一族，反射式强度型光纤传感器(简称RIM-FOS)以其结构简单、性能可靠、设计灵活、价格低廉等优点引起了广泛关注。本文在反射光的分布、RIM-FOS的数学模型、强度补偿的理论与方法、传感器特性的仿真与测试、以及可用于传感器辅助设计和制作的计算机仿真测试系统等诸多方面进行了较为系统深入的研究。论文的主要研究内容包括： 1．参考几何法建立的光纤对光强调制函数，首次引入反射面的倾斜因子以及形状因子，建立了相应的数学模型。然后，采用数值仿真的方法系统地研究了多模光纤参数(包括光纤对轴间距、光纤芯径和光纤数值孔径)、反射面倾斜因子以及形状因子对RIM-FOS强度调制特性的影响规律。 2．引入了Beckmann关于随机粗糙表面光散射理论的相关研究结论，基于衍射分析法建立了准高斯光经过反射面后的反射光分布模型。 3．根据所得到的准高斯反射光分布模型，建立了通用的三光纤传感器的强度调制函数。同时，采用“改进的平均间距法”建立了随机型光纤束的数学模型。此外，还对同轴型、双束型、双圈型和同轴随机型光纤束的调制函数进行了详细地推导，得到了具有系统性和关联性的光纤束强度调制函数。然后，仿真比较了各种结构的RIM-FOS的理论特性。 4．用能量流分析法推导了用分光镜分光进行强度补偿的分光比计算公式，详细讨论了入射光的强度不变而偏振方向变化以及二者同时变化对分光比的影响。采用模拟实验验证了分光镜分光中出现反向涨落的现象，提出了具体的解决办法。 5．提出了一种带随机型分光端的“Π”型光纤束分光补偿结构，并与分光镜分光补偿的强度补偿效果进行了实验比较。同时，首次从纯数学的角度分析了光束方向漂移对中孔光电池、半圆光电池以及“Π”型光纤束分光补偿精度的影响。此外，还提出并实验研究了“Π型光纤束分光+神经网络”的强度补偿法。 6．提出了用计算机仿真测试系统辅助RIM-FOS设计及制造的思想，并首次提出了RIM-FOS的最佳设计制作流程。 7．综合采用了一些关键技术，首次设计了一套能够完成RIM-FOS特性仿真和特性测试的计算机仿真测试系统。同时，还提出了归一化特性曲线的参数化描述方法。 8．设计若干典型实验检验了仿真测试系统的性能。结果表明，该系统不但可完成RIM-FOS特性仿真和特性测试功能，而且还可以开机即测且不受环境光干扰和光源功率波动的影响，测试稳定性好，重复性较高。

全文目录

中文摘要  6-7
英文摘要  7-9
专用术语及缩略词说明  9-10
图表索引  10-14
第一章绪论  14-35
  §1．1 光纤传感技术的研究现状  14-17
    §1．1．1 光纤传感器的特点及其分类  14-16
    §1．1．2 光纤传感技术的发展现状  16-17
  §1．2 反射式强度型光纤传感器（RIM-FOS）的研究现状  17-32
    §1．2．1 RIM-FOS的工作原理简介  18-19
    §1．2．2 RIM-FOS的研究现状  19-28
    §1．2．3 RIM-FOS的应用现状  28-31
    §1．2．4 RIM-FOS的发展趋势  31-32
  §1．3 课题研究的目的及意义  32-33
  §1．4 论文写作思路及结构安排  33-35
第二章光纤对的光强调制模型及特征结构参数分析  35-53
  §2．1 概述  35-36
  §2．2 光纤对的结构参数对光强调制特性的影响  36-45
    §2．2．1 光纤对的光强调制函数  36-38
    §2．2．2 光纤对的结构参数对光强调制特性影响的数值分析  38-44
    §2．2．3 光纤参数对光强调制特性的影响规律  44-45
  §2．3 反射面倾斜因子对光强调制特性的影响  45-48
    §2．3．1 倾斜因子对光强调制特性影响的数学分析  45-47
    §2．3．2 倾斜因子对光强调制特性影响的数值仿真  47-48
  §2．4 反射面形状因子对光强调制特性的影响  48-52
    §2．4．1 形状因子对光强调制特性影响的理论分析  49-51
    §2．4．2 形状因子对光强调制特性影响的数值仿真  51-52
  §2．5 本章研究结论  52-53
第三章发送光纤出射端光强与反射光强分布的理论模型  53-64
  §3．1 概述  53-55
  §3．2 发送光纤出射端光强分布的理论分析  55-58
    §3．2．1 衍射分析法  55-58
    §3．2．2 纤端光强分布的计算  58
  §3．3 基于准高斯纤端光强分布和Beckmann散射理论的反射光模型  58-60
    §3．3．1 随机粗糙表面的散射理论  58-60
    §3．3．2 反射光模型  60
  §3．4 基于准高斯反射光强分布模型的光纤对强度调制函数  60-62
  §3．5 本章研究结论  62-64
第四章基于光纤对强度调制函数的光纤束的数学模型  64-77
  §4．1 概述  64-65
  §4．2 三光纤传感器的光强调制模型  65-69
    §4．2．1 三光纤探头的通用模型  65-66
    §4．2．2 四种三光纤探头的光强调制特性  66-68
    §4．2．3 三光纤强度调制特性比较  68-69
  §4．3 光纤束传感器的强度调制模型  69-76
    §4．3．1 光纤束光强调制函数的建立  69-74
    §4．3．2 光纤束传感器强度调制特性的计算机仿真实验  74-76
  §4．4 本章研究结论  76-77
第五章强度补偿的理论与方法  77-98
  §5．1 影响强度型光纤传感器测量精度和稳定性的主要因素  77-78
  §5．2 分光参考强度补偿方法  78-87
    §5．2．1 采用分光镜分光设置参考光路的补偿法  78-86
    §5．2．2 采用“Π”型光纤束的强度补偿法  86
    §5．2．3 强度补偿实验  86-87
  §5．3 入射光束方向漂移对三种分光补偿法补偿效果的影响  87-91
    §5．3．1 理论分析  88-90
    §5．3．2 仿真计算  90-91
  §5．4 基于人工神经网络的强度补偿法  91-95
    §5．4．1 神经网络补偿原理  92
    §5．4．2 BP神经网络及学习算法  92-94
    §5．4．3 神经网络补偿实验  94-95
  §5．5 本章研究结论  95-98
第六章 RIM-FOS计算机仿真测试系统的设计及实验  98-119
  §6．1 概述  98-99
  §6．2 仿真测试系统的构成及主要功能描述  99-100
  §6．3 特性测试平台及其关键技术  100-110
  §6．4 仿真软件包的设计  110-112
  §6．5 典型实验  112-118
  §6．6 本章研究结论  118-119
第七章结论与展望  119-123
  §7．1 全文研究总结  119-121
  §7．2 后续研究展望  121-123
致谢  123-124
参考文献  124-141
作者在攻读博士学位期间发表或录用的学术论文及获得的奖励  141-142

反射式强度型光纤传感器强度调制特性的数学模型与关键技术的研究

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