高速光纤光栅解调系统的研究与实现

论文摘要

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)因其体积小、成本低、耐腐蚀、灵敏度高和抗电磁干扰等优点,广泛应用于结构健康监测、恶劣环境的物理量测量及大型机械设备的状态监测等领域。但在旋转机械动态检测等高频信号测量领域,不仅要求高于设备高频分量的动态解调频率,而且要求波长解调不受光强变化的影响。目前常用的解调技术中,波长解调技术虽适用于动静态测量,但成本高昂,解调速率受限只能达到数千赫兹;光强度解调方法速度可达10kHz以上,但FBG反射光强的波动会严重影响测量结果,且解调范围受限。为此,本文基于傅里叶域锁模扫频激光器,研究并实现了一种高速、波长解调的光纤光栅解调系统,主要内容如下:(1)研究高速光纤光栅解调系统光路相关理论并设计光路。分析光纤光栅的传感机理,提出高速光纤光栅系统实现的关键点及难点;研究傅里叶域锁模扫频激光器的构成原理,构建傅里叶域锁模激光器。通过分析傅里叶域锁模激光器的非线性效应,探索激光器非线性效应对解调结果精度的影响,研究基于马赫—曾德干涉仪的光拍频技术理论,提出基于光拍频技术及单峰滤波器的解调系统非线性校准方法并实现。(2)高速光纤光栅解调系统硬件设计与实现。针对软件寻峰速度慢、数据量大等问题,在下位机电路板设计方面,提出系统高速硬件实时寻峰方案,设计光电信号调理电路,将光纤光栅光脉冲信号转换为现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)可以捕获的边沿信号。在FPGA内部,设计多路时钟拼接计数模块,加快采样频率,提高解调波长分辨率。在数据传输方面,研究精简硬件协议栈层次结构,并在FPGA设计功能模块搭建TCP/IP硬件协议栈,满足高速光纤光栅解调产生的数据量传输需求。(3)系统静态与动态性能测试。搭建恒温环境对系统稳定性进行测试,并通过静态解调实验和动态解调实验验证高速光纤光栅解调系统的静态和动态解调性能。实验结果表明在20nm解调范围内,高速解调系统的分辨率为2pm,线性度为0.9994,精度为5pm,稳定度为6pm,频率为40kHz,且引入基于光拍频技术的非线性校准方法可显著提高系统解调精度。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题来源
•   1.2 课题研究的背景、目的与意义
•   1.3 相关国内外研究现状
•     1.3.1 大容量光纤光栅传感网络研究现状
•     1.3.2 光纤光栅高速解调研究现状
•   1.4 本文的主要研究工作及组织结构
• 第2章 高速光纤光栅解调系统光路设计
•   2.1 光纤光栅传感机理
•   2.2 高速光纤光栅解调系统设计需求分析及解调原理
•     2.2.1 高速光纤光栅解调系统设计需求分析
•     2.2.2 高速光纤光栅解调系统原理
•   2.3 傅里叶域锁模激光器的原理及构建
•   2.4 激光器非线性校准方法与实现
•     2.4.1 傅里叶域锁模激光器非线性效应研究及分析
•     2.4.2 基于马赫—曾德干涉仪的光拍频技术理论研究
•     2.4.3 基于光拍频技术的系统非线性校准方法设计与实现
•     2.4.4 基于单峰滤波器的校准通道
•     2.4.5 非线性校准方案的测试及分析
•   2.5 解调系统无源光路设计
•   2.6 本章小结
• 第3章 高速光纤光栅解调系统硬件设计与实现
•   3.1 系统高速硬件实时寻峰方案设计与实现
•     3.1.1 光电信号调理电路设计与实现
•     3.1.2 基于FPGA时钟拼接技术的高速寻峰方法实现
•     3.1.3 高速硬件实时寻峰单元测试
•   3.2 基于FPGA的 TCP/IP硬件协议栈设计与实现
•     3.2.1 精简硬件协议栈层次结构设计
•     3.2.2 基于FPGA的硬件协议栈功能模块设计
•     3.2.3 基于FPGA的 TCP/IP硬件协议栈测试与分析
•   3.3 本章小结
• 第4章 高速光纤光栅解调系统性能测试与分析
•   4.1仪表稳定性测试实验
•   4.2静态解调实验
•     4.2.1温度线性度实验
•     4.2.2解调稳定性及分辨率实验
•   4.3动态解调振动实验
•   4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
•   5.1 全文工作总结
•   5.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文与成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 侯亚荣

导师: 刘泉

关键词: 光纤光栅,解调,高速,非线性校准,高速硬件实时寻峰

来源: 武汉理工大学

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: 武汉理工大学

基金: 国家自然科学基金面上项目(No.61575149):基于色散效应的大规模全同光栅传感网络高速解调新方法的研究,国家自然科学基金重点项目(No.61735013):智能轨道交通安全监测光纤传感基础研究

分类号: TN253;TN763

DOI: 10.27381/d.cnki.gwlgu.2019.000136

总页数: 69

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