基于FPGA的光纤光栅动态解调系统研制

发布时间：2020-06-17 17:12

【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。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248;TN791
【图文】：

示意图,解调系统,整体设计,光纤光栅传感器

（２）可调谐激光器调谐范围广，能够输出整个Ｃ波段的连续光。逡逑（３）可调谐激光器作为光源，其输出光波长可控性好。逡逑解调范围和高精度高稳定性的输出光特性满足解调系统设计需求，良好的光逡逑波长可控性能够进一步提高解调系统的解调精度。逡逑为满足指标第三条丨ｋＨｚ解调速率的要求，选用ＦＰＧＡ作为硬件电路的控制逡逑核心，并同时选用高速的电子元器件，驱动可调谐激光器高频调谐，实现对光纤逡逑光栅传感器传感信号的动态解调。逡逑２．１．２解调系统整体设计逡逑光纤光栅解调系统由光路系统，硬件电路系统和上位机系统构成。光路系统逡逑实现光源信号分路和光信号的传递；硬件电路实现激光光源的驱动以及电信号的逡逑处理和传输；上位机系统对数据进一步处理，实现数据的显示和存储等功能。光逡逑纤光栅解调系统整体设计示意图如图２－１所示。逡逑

示意图,可调谐激光器,光源光谱,示意图

图２－４传感器光谱与激光光源光谱重合示意图逡逑光纤光栅解调系统解调过程如下：逡逑（１）对可调谐激光器进行波长标定，实现对激光器的波长控制，能按一定大小（如２０ｐｍ）由低波段向高波段扫描。逡逑（２）可调谐激光器输出特定波长的光后，采集光纤耦合器模块返回信息，以输出波长作为横坐标，返回光强度作为纵坐标得到离散的回光强关系。当连接单一传感器时，实际测得的输出光波长与光纤的关系如图２－５所示。图中离散点的拟合图像近似为光纤光栅传感器（３）对图２－５中离散数据点做寻峰处理，寻得峰值为光纤光栅传感值对应横坐标为光纤光栅传感器中心波长值，至此，实现对光纤光心波长解调。逡逑

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