海洋FBG光纤解调系统研究

论文摘要

海洋经济是国民经济综合竞争力中重要的一部分,开采海洋资源对海洋经济的发展有着重要的意义,全方位多维度的信息支持可大幅度提高海洋资源的开采效率和作业人员的安全。卫星遥测等技术仅仅能探测到海洋表面的基本信息,海底复杂的变化需要依靠水下各类传感器的集成使用。传统的物理学传感器受到使用环境和结构成本的限制,已经不能满足当前应用的需求,光纤传感器的耐腐蚀、抗电磁干扰等优点,使其能够适应海洋这种恶劣的被测环境。但是,光纤传感器走向实际应用也存在很多困难,其中影响最大的就是对于光波长的精确解调。因此,本文针对可适用于海洋环境监测的布拉格光纤光栅传感器（Fiber Bragg Grating,FBG）的解调系统展开研究。FBG的制作技术已逐渐成熟,但关于这类光纤传感器的物理机理和特性的理论分析相对较少却至关重要。从FBG的光谱特性入手,采用耦合模理论分析和仿真验证,得出光栅参数对FBG反射信号的幅度以及谱宽度都有较大的影响。同时对其核心参数进行比较分析,结果表明,适当调整光栅参数,可从FBG传感器得到更合适的窄带宽反射谱,为波长的解调创造更加有利的前期条件。FBG解调系统主要由信号解调模块和信号处理模块组成,信号解调模块的核心在于解调技术的选择。从系统的应用背景,精度需求以及硬件设备的成本等因素综合考虑,选择基于可调谐法波-珀罗滤波器解调技术设计搭建完整的FBG传感解调系统,结合简化版测温实物实验获取仿真系统的环境参数,仿真验证了FBG传感解调系统测量物理量的可行性。解调系统的信号处理模块主要用于对采集到的信号进行算法处理以获取更加精准的光谱峰值波长。依据海洋气象参数和水文参数测量精度的要求,常规的FBG传感解调系统对于中心波长的测量精度应优于10 pm的量级。理论分析并结合仿真实验验证FBG解调系统的传感特性,结果表明,在硬件设备既定的情况下,采用Levenberg-Marquardt最优寻峰算法和自适应滤波改进算法级联结构优化系统的信号处理模块,可有效提升系统的解调精度,同时改善了系统的稳定性,使本系统能够达到海洋环境的监测要求,在一定程度上推动FBG传感器实现产品化发展。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究的目的和意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 海洋环境监测的研究现状
•     1.2.2 FBG光纤传感技术研究现状
•     1.2.3 国内外文献综述及简析
•   1.3 主要研究内容与论文结构
•     1.3.1 本文研究的内容
•     1.3.2 本文论文结构
• 第2章 FBG光纤传感与解调技术理论基础
•   2.1 引言
•   2.2 基于耦合模原理的理论基础
•   2.3 光纤光栅传感原理
•     2.3.1 FBG传感原理
•     2.3.2 传感特性分析
•   2.4 解调技术工作原理
•     2.4.1 可调谐FP滤波器
•     2.4.2 仿真分析
•   2.5 本章小结
• 第3章 FBG光纤解调系统的设计
•   3.1 引言
•   3.2 基于可调谐FP滤波器的解调系统
•     3.2.1 解调系统方案设计
•     3.2.2 光电探测信号的建模分析
•   3.3 基于OptiSystem仿真系统搭建
•     3.3.1 FBG测温系统实物实验
•     3.3.2 FBG解调系统仿真实验
•   3.4 本章小结
• 第4章 FBG光纤解调系统优化方案
•   4.1 引言
•   4.2 解调系统优化方案设计
•   4.3 信号处理模块输出优化
•     4.3.1 L-M算法拟合优化
•     4.3.2 仿真实验分析
•   4.4 解调系统的输出优化
•     4.4.1 卡尔曼滤波算法
•     4.4.2 自适应滤波改进型算法
•   4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘露平

导师: 汪洋

关键词: 海洋监测,光纤光栅,法波珀罗滤波器,寻峰算法,自适应滤波

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 海洋学,自动化技术

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: P74;TP212

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.001554

总页数: 65

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