基于FPGA的光纤光栅动态解调系统研制

论文摘要

随着光纤传感技术的发展,光纤光栅传感器的种类越来越多,应用范围也越来越广泛。光纤光栅传感器的发展也极大推动了光纤光栅解调系统的发展,基于不同解调原理的解调系统相继得到研制。但是针对一些动态测量信号,现有解调系统存在价格昂贵、性能表现不佳等不足,因此研制一款解调精度高、解调范围广、解调频率合适的解调设备具有十分重要的意义。由于半导体激光器的发展,基于可调谐半导体激光器的光纤光栅解调系统在最近几年成为研究热点。本文通过对现有解调方法的调研,分析了不同解调系统的优势和不足。为满足光纤光栅传感器解调需求,提出了一种以可调谐激光器为核心的光纤光栅解调系统的设计方案,核心控制芯片采用FPGA,主要研究内容包括:解调系统的光路系统设计和搭建,解调系统硬件电路设计与实现,解调系统上位机软件编写。首先,介绍可调谐激光器法实现传感器波长解调的原理和过程,并设计了光纤光栅解调系统的整体实现方案。搭建解调系统的光路结构,利用1X4耦合器模块实现解调系统四通道同时解调的指标。其次,完成解调系统的硬件电路设计与软件实现,包括电源模块设计、FPGA控制器模块设计、可调谐激光器输入电流电路分析设计、可调谐激光器温度控制电路设计、串口和网卡通信电路设计以及光电转换电路设计。为了尽可能提高解调系统的解调速度,电子器件选择高速元器件。软件方面,针对硬件电路模块,编写基于Verilog语言的控制程序,实现各个硬件电路模块正常工作和整体解调功能。同时,设计基于C++的解调系统的上位机软件,实现解调数据的显示和存储等功能。最后,针对研制的解调系统,进行相关的性能测试实验,包括验证解调系统的解调范围,解调精度,解调稳定性以及解调频率。实验证明自制解调系统性能优良,解调范围1525nm-1565nm,解调精度误差±3pm,解调稳定性达到±1pm,解调速度达到1 kHz。综上,本文在对光纤光栅解调系统国内外现状的研究基础上,研制了基于可调谐半导体激光器的光纤光栅解调系统,完成了解调系统的光路设计搭建,硬件电路设计实现,软件设计和上位机实现,经过相关性能测试实验验证,解调系统拥有较为理想的解调性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 本文主要工作及章节安排
• 第2章 光纤光栅解调系统方案设计
•   2.1 解调系统整体设计
•     2.1.1 解调系统检测需求分析
•     2.1.2 解调系统整体设计
•   2.2 解调系统解调原理
•   2.3 解调系统寻峰算法
•     2.3.1 常见寻峰算法
•     2.3.2 解调系统寻峰设计
•   2.4 解调系统光路实现
•     2.4.1 解调系统光路结构概述
•     2.4.2 可调谐激光光源
•     2.4.3 光纤耦合器
•     2.4.4 光电二极管
•   2.5 小结
• 第3章 光纤光栅解调系统硬件设计
•   3.1 解调系统硬件整体设计
•   3.2 解调系统硬件电路实现
•     3.2.1 电源模块设计
•     3.2.2 控制器模块设计
•     3.2.3 激光器电流驱动模块设计
•     3.2.4 激光器温度控制模块设计
•     3.2.5 光电转换模块设计
•     3.2.6 通信模块设计
•   3.3 解调系统PCB设计
•   3.4 小结
• 第4章 光纤光栅解调系统软件设计
•   4.1 软件编程基础
•   4.2 硬件模块编程实现
•     4.2.1 MAX1968芯片控制
•     4.2.2 DAC8831芯片控制
•     4.2.3 AD9225芯片控制
•     4.2.4 串口模块控制
•     4.2.5 网口模块控制
•   4.3 解调系统下位机功能实现
•     4.3.1 激光器波长标定程序实现
•     4.3.2 波长解调程序实现
•   4.4 解调系统上位机功能实现
•   4.5 小结
• 第5章 光纤光栅解调系统性能测试
•   5.1 硬件电路控制性能测试
•     5.1.1 压控恒流源
•     5.1.2 可调谐激光器光波长控制
•   5.2 解调系统性能测试实验
•     5.2.1 解调精度和解调稳定性
•     5.2.2 解调频率
•   5.3 小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 田园

导师: 姜明顺

关键词: 光纤光栅解调系统,可调谐激光器,性能测试实验

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,无线电电子学

单位: 山东大学

分类号: TN248;TN791

总页数: 89

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