调频连续波光纤位移传感器信号处理系统研制

发布时间：2020-03-18 19:13

【摘要】：调频连续波激光干涉技术是源于调频连续波雷达的光学测量新技术,通过对干涉拍频信号实现相位细分、相移方向判定以及整周期计数,可以实现应变、温度、压力、位移、转速等物理量的测量。本文深入探讨高精度、大动态范围调频连续波激光干涉技术的基本理论,以法布里-珀罗调频连续波激光干涉仪结构为蓝本,采用光纤型器件搭建干涉光路,设计并实现了用于高精确、大动态范围调频连续波光纤位移传感器的调频连续波激光干涉信号处理系统。本文以锯齿波线性调频为例,分析了调频连续波光纤位移传感器的工作原理,介绍了互易型调频连续波干涉光纤光路,通过对DFB半导体激光器的驱动电流进行线性调制,完成了线性调频DFB半导体激光器的驱动电路设计,并基于STM32F405VGT6处理器进行信号处理系统设计研制,主要包括光电转换电路、STM32的最小系统、AD采集电路、串口通信电路、LCD显示和按键输入的电路原理图设计和PCB制版调试,搭建了可靠的调频连续波光纤位移传感器硬件平台。针对调频连续波光纤位移传感器拍频信号低信噪比、一个调制周期内幅值、频率不相等的特点,本文提出一种高精度寻峰鉴相方法,以峰值探测方法来实现相位检测,利用频率自适应的升余弦窗函数对信号进行互相关滤波,提高了信号的信噪比,并采用黄金分割法对算法进行优化,减少了互相关运算的计算量。在调频连续波光纤位移传感器硬件平台的基础上完成调频连续波光纤位移传感器的软件设计和相位解调算法的移植,实现高精度位移测量,并通过串口将测量结果发送至上位机,进行测量精度分析。搭建调频连续波光纤位移传感器原理样机,对信号处理系统和线性调频DFB半导体激光器的功能测试,进一步采用电动位移台进行实际位移测量实验,并对测量结果进行分析,实验结果表明,调频连续波光纤位移传感器的工作距离为10nm～400mm,在300～400mm的测量实验中,系统的位移测量重复性误差小于3.5nm,标准误差为4.5nm。
【图文】：

调频连续波,锯齿波调制,干涉原理

本章主要介绍调频连续波干涉原理，详细分析了基于调频连续波干涉理论设计的光位移传感器测量原理以及光学系统设计。然后，详细阐述了线性调频 DFB 半导体激光驱动电路和调频连续波光纤位移传感器信号处理系统这两大部分的总体方案设计，其中括核心芯片选择和系统设计总框图。2.1 调频连续波光纤位移传感器原理2.1.1 调频连续波干涉原理调频连续波干涉中，激光光源频率调制可采用锯齿波、三角波、正弦波三种不同调方式。本文以锯齿波频率线性调制光源为例分析调频连续波干涉理论。由调制激光光源出两个光波，经过不同路径传播后在空间中一点发生干涉。两个相干光波的角频率波形产生的拍频信号可以如图 2.1 所示的曲线描述，其中，实线代表参考光的角频率，虚线表信号光的角频率[30-32]。

调频连续波,光纤位移传感器,工作原理图

b0 表示拍频信号的初相位，且 00 b(2.11)在整个时域范围内以频率、波长与光程差来描述拍频信号，可表示为:[1cos(2)]22(,)1cos0000bbmIVttOPDcOPDIOPDtIV (2.12)式中， OPDc，m wT， w 2 ，mm 1T，为光学频率调制宽度，m 为调制信号的频率。根据公式（2.12）可知，调频连续波干涉拍频信号为一个带有偏置的余弦函数，，其频率和初相位均可测量得到，从而得到光程差。2.1.2 调频连续波光纤位移传感器工作原理调频连续波光纤位移传感器依据调频连续波干涉理论，设计调频连续波光纤位移传感器，实现相对位移量的测量。测量系统包括线性调频激光器驱动电路、光学系统和信号处理系统，其工作原理如图 2.2 所示。
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212

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