基于腔衰荡光谱的光纤车辆信息传感技术研究

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伴随着光纤技术和传感技术的发展,基于腔衰荡光谱(CRDS)技术发展起来的光纤腔衰荡光谱(LFRDS)技术凭借自身独特的优势被广泛应用于物理、化学以及生物领域进行传感测量。传统的车辆信息传感采集技术已经无法满足当前高速发展的智能交通管理、物联网交通发展的需求。因此,本文在对光纤腔衰荡光谱技术研究的基础上,以当前中国智慧城市和智能交通建设为背景,依托中国科学院“西部之光”人才培养计划项目——基于谐振腔增强的光纤车辆信息传感技术研究,开展了基于腔衰荡光谱的光纤车辆信息传感技术研究。本文的主要研究内容和创新点如下:  首先,本论文分析了无源谐振腔和光纤的各种损耗机制,描述了光纤腔衰荡光谱传感系统的传感原理,讨论分析了光纤腔衰荡光谱技术的技术特点和优越性。同时,本文利用线性系统的分析方法,把无源谐振腔当作一个“线性时不变系统”,揭示了脉冲光波在谐振腔内部的动态响应。  其次,本文设计了一款波长为1550nm的脉冲光纤环形腔衰荡光谱车辆信息传感系统。分别在实验室环境下和外场环境下开展了静态压力传感实验,实验结果表明,该系统对静态压力有良好的响应关系,衰荡时间关系式(1/τ-1/τ0)和作用压力F呈现多项式关系。且在外场环境下开展了车辆动态压力传感实验,分析了速度对动态称重的影响。同时,从理论模型出发,分析了该系统对车辆信息四大要素(动态称重、车流量统计、车速监控、车型分类)检测的实现方式。  最后,在传统的FLRDS技术之上,创新性的提出了一种基于FLRDS技术和Sagnac效应相结合的压力传感装置。从理论上分析了该系统的可行性,并在实验室条件下开展了静态压力传感实验,实验结果表明:该系统对静态压力有良好的响应关系,衰荡时间关系式(1/τ-1/τ0)和作用压力F近似呈现余弦关系,新型的传感系统的测量精度大幅度提高,在一个压力周期内,最高可以实现1.8ns/N的探测响应。但同时也存在一些缺点,例如受外界信号干扰较大、压力作用范围受到限制、输出响应非线性等缺点。
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