准分布式光纤光栅水下温深度解调系统的研究

发布时间：2017-07-15 13:33

  本文关键词：准分布式光纤光栅水下温深度解调系统的研究

  更多相关文章： 光纤光栅 F-P滤波器 中心波长解调 DSP 重叠光谱

【摘要】：温度和深度是水域环境的基本物理量,在各类涉及水域的建筑和环境监测等领域具有较高的应用价值。然而由于水下环境恶劣,待检测点多,传统电类和机械类传感器已经无法满足长期水下监测的需求。因此,本文采用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)传感器进行水下温深度测量。FBG传感器是波长调制型光纤类传感器,抗干扰性强,复用结构简单,非常适合大型水下温深度的检测。本文深入研究国内外光纤光栅解调和复用技术,完成了基于可调谐法布里-珀罗(Fabry-Perot, F-P)滤器的FBG解调系统设计,实现了FBG中心波长解调算法和FBG重叠光谱分离算法,并通过搭建水下实验对系统的性能进行了测试。本文设计的系统采用F-P滤波器来实现FBG中心波长解调。解调系统主要包括光路、电路和解调系统软件三部分。光路部分主要由宽带光源、F-P滤波器、标准具、光电探测器组成。宽带光源发出的光信号经过F-P滤波器变为中心波长可调谐的窄带光,该窄带光束首先经过光隔离器,然后通过3dB耦合器分别进入传感通道和标准具参考通道。电路部分由以下几个模块组成：核心处理器模块采用DSP芯片F28335实现对数字信号的处理和控制；F-P滤波器驱动电压模块采用D/A芯片LTC1655产生锯齿波扫描电压；光电转换部分选用InGaAs光电二极管接收传感通道的反射光谱和参考通道的透射光谱,通过Ⅰ-Ⅴ变换完成了光电转换；RS232串口通信电路实现DSP和上位机之间的通信。解调系统软件开发部分包括DSP控制器程序及上位机系统程序。在CCS开发环境中,实现了周期性的驱动电压输出程序的设计；完成了AD转换器的控制程序,实现了对FBG传感信号和标准具参考信号的采集：完成了串口程序,实现与上位机的通信。在Lab VIEW软件上完成了解调系统上位机设计,通过VISA模块实现与DSP的通讯程序,具备FBG传感器参数配置功能,实现了水下温度和深度数据实时显示和数据保存。研究了FBG解调系统中的算法,包括FBG中心波长解调算法和重叠光谱分离算法。首先对比了四种典型的寻峰算法,并根据准分布式解调系统的实时性要求,增加了数据截取处理,减少DSP的运行量。最终使用数字滤波进行峰值初定位,完成采集数据截取,然后结合高斯多项式曲线拟合寻峰实现中心波长解调。最后论文针对波分复用系统中出现的重叠光谱的问题,采用最大值谱法(Maximum Spectrum of Continuous Wavelet Transform, MSCWT)进行重叠光谱分离,并研究了反射光谱的波长间隔、3dB带宽以及光强等参数对波长解调精度的影响,为增加准分布式系统的传感器容量提供可行性。对解调系统的各模块进行了测试。首先,测试了驱动电路、光电探测、AD数据采集以及标准具等模块。然后,搭建了完整的解调系统,完成温深度传感器标定,获得其中心波长与温深度的标定公式,并在上位机解调系统上实现对传感器的配置。最后,对温度和深度FBG传感器进行了静态和动态测试。通过对解调结果的分析可知,系统实现了FBG传感器中心波长解调,稳定度在5pm。解调系统上位机能够直观地实时显示和保存FBG传感器中心波长信息。该解调系统可以接入不同封装的FBG传感器,满足不同量程的温度和深度测量需求,适合于不同场合的水下温深度参数实时监测。此外,还搭建了重叠光谱采集系统,对实际FBG重叠光谱进行处理,仿真和实验结果都证明MSCWT算法对重叠的FBG传感器信号波形具有较好的分离作用,实际FBG重叠光谱最小误差为1.2pm。
【关键词】：光纤光栅 F-P滤波器 中心波长解调 DSP 重叠光谱
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212;TN713
【目录】：

• 作者简历7-8
• 摘要8-10
• Abstract10-15
• 第一章 绪论15-22
• 1.1 研究背景及意义15-17
• 1.2 国内外研究现状17-20
• 1.3 论文主要内容20-22
• 第二章 光纤光栅温深度检测原理22-34
• 2.1 光纤光栅温深度传感原理22-25
• 2.2 光纤光栅复用技术25-27
• 2.3 光纤光栅解调技术27-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 水下温深度光纤光栅解调系统设计34-56
• 3.1 系统总体方案34-35
• 3.2 解调系统光路设计35-43
• 3.2.1 ASE宽带光源35-36
• 3.2.2 F-P滤波器36-38
• 3.2.3 参考光器件38-41
• 3.2.4 光纤连接器41-42
• 3.2.5 光电探测器42-43
• 3.3 解调系统电路设计43-47
• 3.3.1 系统核心控制器44
• 3.3.2 F-P滤波器驱动电路44-46
• 3.3.3 光电转换及调理电路46-47
• 3.4 解调系统软件设计47-55
• 3.4.1 软件总流程及开发工具介绍47-49
• 3.4.2 驱动电压软件设计49-51
• 3.4.3 传感通道和参考通道数据采集51-53
• 3.4.4 上位机软件开发53-55
• 3.5 本章小结55-56
• 第四章 水下温深度解调系统的算法研究56-70
• 4.1 中心波长解调算法研究56-62
• 4.1.1 中心波长解调算法原理56-57
• 4.1.2 数字平滑滤波57-59
• 4.1.3 高斯多项式曲线拟合59-62
• 4.2 重叠光谱分离算法的研究62-69
• 4.2.1 分离算法的原理63-64
• 4.2.2 仿真波形及结果分析64-65
• 4.2.3 分离精度影响因素的分析65-69
• 4.3 本章小结69-70
• 第五章 解调系统测试及数据分析70-85
• 5.1 系统各模块性能测试70-76
• 5.1.1 锯齿波电压测试70-71
• 5.1.2 光电转换信号测试71-72
• 5.1.3 AD功能测试72-74
• 5.1.4 标准具测试74-76
• 5.2 重叠光谱分离算法测试76-78
• 5.3 水下温深度实验78-84
• 5.4 本章小结84-85
• 第六章 结论与展望85-87
• 6.1 结论85-86
• 6.2 展望86-87
• 致谢87-88
• 参考文献88-92

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本文编号：544143