基于FPGA的光纤光栅解调系统的设计与开发

论文摘要

光纤光栅解调系统的成本与体积是影响光纤光栅传感器在实际工程中应用的一个重要因素,因此寻求一种低成本、小型化的光纤光栅解调系统方案是实现光纤光栅传感器实用化的关键。本文首先介绍光纤光栅的耦合模理论,分析光纤布拉格光栅的温度和应变传感原理,研究光纤光栅传感器的交叉敏感原理及解决方法,并对波分复用、时分复用和空分复用技术在光纤光栅解调技术中的应用进行分析比较。然后介绍了4种现有的光纤光栅解调方法的原理,并通过对匹配光栅滤波法、非平衡M-Z干涉仪法、可调谐窄带光源法及可调谐F-P滤波器法的性能进行分析与比较,选择可调谐F-P滤波器法作为本文的解调方法;设计了光纤光栅传感系统的解调方案,分析选取解调系统中的各功能元器件,并完成了光纤光栅解调系统光路部分的搭建与调试;理论分析了参考光栅对波长校准的原理,并利用参考光栅和F-P标准具对光纤光栅波长进行校准。完成了以FPGA芯片EP1C12Q240C8作为控制器的解调系统硬件电路设计,包括FPGA核心电路和锯齿波及同步信号产生电路、数据采集电路、数据上传电路等部分;在Quartus II软件中利用VHDL语言完成了D/A转换器的控制程序,实现了0～20 V的锯齿波电压输出,并通过SOPC Builder对数据采集电路和网络接口电路的Nios系统进行设计,利用Nios II开发环境编写了ADS1601及RTL8019AS芯片的控制程序,实现了数据的采集和传输。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光纤光栅传感技术的研究现状及发展趋势
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 光纤光栅传感的相关理论
• 2.1 光纤光栅的耦合模理论
• 2.2 光纤光栅的传感原理
• 2.2.1 温度传感原理
• 2.2.2 应变传感原理
• 2.3 光纤光栅温度和应变交叉敏感的解决方法
• 2.3.1 双波长矩阵运算法
• 2.3.2 双参量矩阵运算法
• 2.3.3 温度（应变）补偿法
• 2.4 光纤光栅的复用技术
• 2.4.1 波分复用技术
• 2.4.2 时分复用技术
• 2.4.3 空分复用技术
• 2.5 本章小结
• 第3章 光纤光栅解调系统方案设计
• 3.1 光纤光栅传感的波长解调技术
• 3.1.1 匹配光栅滤波法
• 3.1.2 非平衡M-Z 干涉仪法
• 3.1.3 可调谐窄带光源法
• 3.1.4 可调谐F-P 滤波器法
• 3.2 光纤光栅解调系统方案设计
• 3.3 解调系统中主要功能器件的选择
• 3.3.1 宽带光源
• 3.3.2 可调谐F-P 滤波器
• 3.3.3 F-P 标准具
• 3.3.4 光电检测器
• 3.4 光纤光栅的波长校准
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于FPGA 的光纤光栅解调系统的设计
• 4.1 FPGA 相关技术概述
• 4.1.1 FPGA 简介
• 4.1.2 SOPC 技术介绍
• 4.1.3 开发环境介绍
• 4.2 解调系统的硬件电路设计
• 4.2.1 锯齿波发生器模块
• 4.2.2 数据采集模块
• 4.2.3 数据传输模块
• 4.2.4 FLASH 存储器模块
• 4.2.5 SDRAM 存储器模块
• 4.2.6 FPGA 配置模块
• 4.3 系统软件设计
• 4.3.1 锯齿波及同步脉冲信号的产生
• 4.3.2 数据采集电路的软件设计
• 4.3.3 网络接口的软件设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 参考文献
• 在学期间发表的学术论文和参加科研情况
• 致谢
• 详细摘要