本文關(guān)鍵詞：準(zhǔn)分布式光纖光柵水下溫深度解調(diào)系統(tǒng)的研究

  更多相關(guān)文章： 光纖光柵 F-P濾波器 中心波長解調(diào) DSP 重疊光譜

【摘要】：溫度和深度是水域環(huán)境的基本物理量,在各類涉及水域的建筑和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。然而由于水下環(huán)境惡劣,待檢測(cè)點(diǎn)多,傳統(tǒng)電類和機(jī)械類傳感器已經(jīng)無法滿足長期水下監(jiān)測(cè)的需求。因此,本文采用光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)傳感器進(jìn)行水下溫深度測(cè)量。FBG傳感器是波長調(diào)制型光纖類傳感器,抗干擾性強(qiáng),復(fù)用結(jié)構(gòu)簡單,非常適合大型水下溫深度的檢測(cè)。本文深入研究國內(nèi)外光纖光柵解調(diào)和復(fù)用技術(shù),完成了基于可調(diào)諧法布里-珀羅(Fabry-Perot, F-P)濾器的FBG解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了FBG中心波長解調(diào)算法和FBG重疊光譜分離算法,并通過搭建水下實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用F-P濾波器來實(shí)現(xiàn)FBG中心波長解調(diào)。解調(diào)系統(tǒng)主要包括光路、電路和解調(diào)系統(tǒng)軟件三部分。光路部分主要由寬帶光源、F-P濾波器、標(biāo)準(zhǔn)具、光電探測(cè)器組成。寬帶光源發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)過F-P濾波器變?yōu)橹行牟ㄩL可調(diào)諧的窄帶光,該窄帶光束首先經(jīng)過光隔離器,然后通過3dB耦合器分別進(jìn)入傳感通道和標(biāo)準(zhǔn)具參考通道。電路部分由以下幾個(gè)模塊組成：核心處理器模塊采用DSP芯片F(xiàn)28335實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理和控制；F-P濾波器驅(qū)動(dòng)電壓模塊采用D/A芯片LTC1655產(chǎn)生鋸齒波掃描電壓；光電轉(zhuǎn)換部分選用InGaAs光電二極管接收傳感通道的反射光譜和參考通道的透射光譜,通過Ⅰ-Ⅴ變換完成了光電轉(zhuǎn)換；RS232串口通信電路實(shí)現(xiàn)DSP和上位機(jī)之間的通信。解調(diào)系統(tǒng)軟件開發(fā)部分包括DSP控制器程序及上位機(jī)系統(tǒng)程序。在CCS開發(fā)環(huán)境中,實(shí)現(xiàn)了周期性的驅(qū)動(dòng)電壓輸出程序的設(shè)計(jì)；完成了AD轉(zhuǎn)換器的控制程序,實(shí)現(xiàn)了對(duì)FBG傳感信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)具參考信號(hào)的采集：完成了串口程序,實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。在Lab VIEW軟件上完成了解調(diào)系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì),通過VISA模塊實(shí)現(xiàn)與DSP的通訊程序,具備FBG傳感器參數(shù)配置功能,實(shí)現(xiàn)了水下溫度和深度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)保存。研究了FBG解調(diào)系統(tǒng)中的算法,包括FBG中心波長解調(diào)算法和重疊光譜分離算法。首先對(duì)比了四種典型的尋峰算法,并根據(jù)準(zhǔn)分布式解調(diào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,增加了數(shù)據(jù)截取處理,減少DSP的運(yùn)行量。最終使用數(shù)字濾波進(jìn)行峰值初定位,完成采集數(shù)據(jù)截取,然后結(jié)合高斯多項(xiàng)式曲線擬合尋峰實(shí)現(xiàn)中心波長解調(diào)。最后論文針對(duì)波分復(fù)用系統(tǒng)中出現(xiàn)的重疊光譜的問題,采用最大值譜法(Maximum Spectrum of Continuous Wavelet Transform, MSCWT)進(jìn)行重疊光譜分離,并研究了反射光譜的波長間隔、3dB帶寬以及光強(qiáng)等參數(shù)對(duì)波長解調(diào)精度的影響,為增加準(zhǔn)分布式系統(tǒng)的傳感器容量提供可行性。對(duì)解調(diào)系統(tǒng)的各模塊進(jìn)行了測(cè)試。首先,測(cè)試了驅(qū)動(dòng)電路、光電探測(cè)、AD數(shù)據(jù)采集以及標(biāo)準(zhǔn)具等模塊。然后,搭建了完整的解調(diào)系統(tǒng),完成溫深度傳感器標(biāo)定,獲得其中心波長與溫深度的標(biāo)定公式,并在上位機(jī)解調(diào)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的配置。最后,對(duì)溫度和深度FBG傳感器進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試。通過對(duì)解調(diào)結(jié)果的分析可知,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了FBG傳感器中心波長解調(diào),穩(wěn)定度在5pm。解調(diào)系統(tǒng)上位機(jī)能夠直觀地實(shí)時(shí)顯示和保存FBG傳感器中心波長信息。該解調(diào)系統(tǒng)可以接入不同封裝的FBG傳感器,滿足不同量程的溫度和深度測(cè)量需求,適合于不同場(chǎng)合的水下溫深度參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此外,還搭建了重疊光譜采集系統(tǒng),對(duì)實(shí)際FBG重疊光譜進(jìn)行處理,仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明MSCWT算法對(duì)重疊的FBG傳感器信號(hào)波形具有較好的分離作用,實(shí)際FBG重疊光譜最小誤差為1.2pm。
【關(guān)鍵詞】：光纖光柵 F-P濾波器 中心波長解調(diào) DSP 重疊光譜
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP212;TN713
【目錄】：

• 作者簡歷7-8
• 摘要8-10
• Abstract10-15
• 第一章 緒論15-22
• 1.1 研究背景及意義15-17
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-20
• 1.3 論文主要內(nèi)容20-22
• 第二章 光纖光柵溫深度檢測(cè)原理22-34
• 2.1 光纖光柵溫深度傳感原理22-25
• 2.2 光纖光柵復(fù)用技術(shù)25-27
• 2.3 光纖光柵解調(diào)技術(shù)27-33
• 2.4 本章小結(jié)33-34
• 第三章 水下溫深度光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)34-56
• 3.1 系統(tǒng)總體方案34-35
• 3.2 解調(diào)系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)35-43
• 3.2.1 ASE寬帶光源35-36
• 3.2.2 F-P濾波器36-38
• 3.2.3 參考光器件38-41
• 3.2.4 光纖連接器41-42
• 3.2.5 光電探測(cè)器42-43
• 3.3 解調(diào)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)43-47
• 3.3.1 系統(tǒng)核心控制器44
• 3.3.2 F-P濾波器驅(qū)動(dòng)電路44-46
• 3.3.3 光電轉(zhuǎn)換及調(diào)理電路46-47
• 3.4 解調(diào)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)47-55
• 3.4.1 軟件總流程及開發(fā)工具介紹47-49
• 3.4.2 驅(qū)動(dòng)電壓軟件設(shè)計(jì)49-51
• 3.4.3 傳感通道和參考通道數(shù)據(jù)采集51-53
• 3.4.4 上位機(jī)軟件開發(fā)53-55
• 3.5 本章小結(jié)55-56
• 第四章 水下溫深度解調(diào)系統(tǒng)的算法研究56-70
• 4.1 中心波長解調(diào)算法研究56-62
• 4.1.1 中心波長解調(diào)算法原理56-57
• 4.1.2 數(shù)字平滑濾波57-59
• 4.1.3 高斯多項(xiàng)式曲線擬合59-62
• 4.2 重疊光譜分離算法的研究62-69
• 4.2.1 分離算法的原理63-64
• 4.2.2 仿真波形及結(jié)果分析64-65
• 4.2.3 分離精度影響因素的分析65-69
• 4.3 本章小結(jié)69-70
• 第五章 解調(diào)系統(tǒng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析70-85
• 5.1 系統(tǒng)各模塊性能測(cè)試70-76
• 5.1.1 鋸齒波電壓測(cè)試70-71
• 5.1.2 光電轉(zhuǎn)換信號(hào)測(cè)試71-72
• 5.1.3 AD功能測(cè)試72-74
• 5.1.4 標(biāo)準(zhǔn)具測(cè)試74-76
• 5.2 重疊光譜分離算法測(cè)試76-78
• 5.3 水下溫深度實(shí)驗(yàn)78-84
• 5.4 本章小結(jié)84-85
• 第六章 結(jié)論與展望85-87
• 6.1 結(jié)論85-86
• 6.2 展望86-87
• 致謝87-88
• 參考文獻(xiàn)88-92

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本文編號(hào)：544143