基于光子灯笼光纤的传感网络解调方法及关键技术研究

In this proposal, a novel demodulation method has been demonstrated based on mode loop conversions in mode selective photonic lanterns (MSPL), which is widely used in optical fiber sensor networks. The relationship between sensing spectra and the modes in MSPL is elaborated. The conversion of sensing methods is realized from wavelength detection to differential light intensity detection, and the corresponding methods for characterization are established. In the sensing system, the problems of cross-sensitivity are solved, and a low complexity static/dynamic demodulation method is obtained. In addition, this proposal will also focus on some key techniques, such as the parameter selections and requirements of the key devices, the mode crosstalk and conditions of sensing stability, and so on. The advantages are: 1) Mode loop conversion is applied to sensor networks. Using MSPL to obtain sensor channel extension, it is enriched and improved in the field of optical fiber sensor networks. 2) The synchronous demodulation method of static and dynamic sensing information is obtained. The new scheme is suitable for different demodulation speed.3) The decoupled detection between multiple sensor data is implemented. The cost and equipment complexity of the sensing system is both greatly optimized. This research can provide theoretical and experimental basis for the practical application, and it has important application prospect in future optical fiber sensor network.

本申请以模式选择型光子灯笼光纤（mode selective photonic lanterns，MSPL）中模式循环转换为基础，研究一种新型传感解调方法，应用于光纤传感网络领域。项目阐述了MSPL中模式与传感光谱之间的关系，实现传感方式从波长探测向差分光强探测的转换，建立相应表征方法，解决了传感系统中待测量交叉敏感问题，获得了低复杂度静动态量同步解调方法。此外，还将对其中几项关键技术深入研究，包括，关键器件参数选择、模式交叉串扰及传感稳定条件等。本申请方案的创新在于：1）提出模式循环转换应用于传感网络，利用MSPL获得传感参量维度扩展，丰富了该领域解调方法；2）解决了光纤传感中静动态量同步解调的问题，使新方案适用于不同速率下传感信息处理的需求；3）实现多传感参量之间的解耦探测，在成本及设备复杂度上均有大幅优化。本研究可为方案实用化提供理论和实验依据，在未来光纤传感网络中有重要应用前景。

本项目研究了一种基于模式选择型光子灯笼光纤（mode selective photonic lanterns，MSPL）的新型传感网络解调方法，应用于光纤传感网络领域。目前制约光纤传感网络实际应用的主要问题是传感解调方法不统一。传统光纤传感网络的解调方案中，静态量监测通常使用波长偏移测试法，需要使用光谱仪或波长解析器件，造价成本相对较高，且易受解调速度和动态范围限制；而动态量通常使用光强度测量法，由于是直接解调虽然提升了解调速度，但易受光源噪声影响，且不能兼容静态量传感解调。为解决这个问题，本项目利用MSPL中的模式循环转换机理，使用干涉仪将波长变化转换为强度变化，再通过平衡强度探测，最终从相对强度信号中监测出对象的信息，将绝对波长传感量转换为相对强度传感量，统一静动态量传感解调方法，代替传统传感解调方案。探索实现了一种大容量、多参数、抗交叉干扰和兼容性强的实用光纤传感解调方法。具体研究内容如下：1.对基于MSPL的静动态传感量解调技术原理进行了研究，同时分析了其关键技术条件；2.对系统核心器件MSPL的相应表征方法进行了建立；3.完成了研究方案实验搭建，分析了影响传感网络解调性能的关键因素；4.通过设计实验测试方案，对其系统结构进行了优化改进。本项目完成了多参量干涉型光纤传感器的设计，以及系统关键解器件少模光纤光栅的设计与制作，并完成了MSPL在传感网络中的机理研究与计算系统搭建。本项目的研究对揭示基于MSPL的大容量传感系统解调技术机制、理解其中蕴含的基本物理问题具有重要的科学意义。