基于可调谐法布里—珀罗滤波器的光纤光栅解调技术研究

论文摘要

光纤光栅（fiber Bragg grating,FBG）是近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一。光纤光栅作为传感元件具有其它传感器无可比拟的优点。FBG传感器结构紧凑,易于集成和埋覆测量,对传感信息采用本征性波长编码,免受电磁噪声和光强波动的干扰,并且便于采用复用（波分、时分、空分）技术实现对多种传感量（应力、温度等）的准分布式多点测量,在民用、航空、船舶、电力和石油等领域的安全监测方面有着广泛的应用前景。目前,FBG传感解调的方法和装置包括非平衡马赫—曾德干涉仪法、边缘滤波器法、匹配FBG滤波器法和可调谐法布里—珀罗（Fabry-Perot,F-P）滤波器法等。其中,可调谐F-P滤波器法通过微驱动器调谐腔长扫描传感FBG,具有灵敏度高、调谐范围大等优点更适用于多点扫描。因此本文对可调谐F-P滤波器解调方法进行了较为深入的研究。本文研究了端面光吸收损耗,有限多光束干涉及反射平板不平行对F-P滤波器光学性能的影响,提出了可调谐F-P滤波器的参数范围和设计要求。通过仿真实验设计了基于磁场梯度力的微位移驱动器和基于电场力的微位移驱动器。分析了基于超磁致伸缩材料（giant magnetostrictive material,GMM）和基于压电陶瓷（piezoelectric,PZT）微位移驱动技术的特点,确定了微位移驱动方案。设计了一种可调谐F-P滤波器结构,利用该结构能够实现对FBG传感器的解调功能。为了消除可调谐F-P滤波器腔长随温度漂移的影响,降低系统复杂性,通过有限元方法对可调谐F-P滤波器结构的温度稳定性进行了研究。首先通过实验测得可调谐F-P滤波器结构的温度—腔长变化曲线,与有限元分析软件仿真得到的温度—腔长变化曲线对比确定了有限元模型和有限元计算方法的可行性,然后建立了基于复合结构（因瓦合金、碳钢）的低温度漂移有限元模型,应用低热膨胀系数的因瓦合金补偿了PZT模块的热膨胀差异。仿真研究表明,复合结构消除了温度漂移现象。为了准确测定解调系统输出信号的峰值发生时间,需要滤除噪声,恢复输出信号,因此对信号重建算法进行了研究。通过对系统输出信号的频谱分析,确定了噪声的频率范围,设计了基于凯泽窗的数字低通滤波器。针对低通滤波后依然存在噪声导致信号失真的问题,根据FBG的反射谱特性对信号进行了局部高斯拟合,保证了求取峰值时间的准确性。分析了串联型和并联型的实时校正方案,选择并完善了并联型方案。最后设计了一种基于可调谐F-P滤波器的多点FBG解调系统,此系统根据48个参考点采用快速分段算法确定PZT驱动电压—波长函数,使用此函数实时校正微驱动器件的非线性误差以及可调谐F-P滤波器的结构性误差,从而能够提高系统的测量精度。此外,设计了以现场可编程门阵列（field programmable gate array,FPGA）为核心的后续电路单元,将解调系统的控制、滤波计算和数据压缩等电路集成在FPGA芯片内部,保证了系统的实时性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 FBG 传感器发展概况
• 1.2.2 FBG 传感解调技术发展概况
• 1.2.3 可调谐F-P 滤波器解调技术研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 可调谐F-P 滤波器基本原理及参数优选
• 2.1 FBG 传感原理及特性
• 2.1.1 FBG 传感原理
• 2.1.2 FBG 应变传感特性
• 2.1.3 FBG 温度传感特性
• 2.1.4 FBG 分布式传感特性
• 2.2 光纤F-P 滤波器原理
• 2.3 基于可调谐F-P 滤波器的FBG 解调原理及分析
• 2.3.1 解调原理
• 2.3.2 可调谐F-P 滤波器光学性能基本要求
• 2.4 F-P 滤波器重要参数
• 2.5 有限数目光束干涉研究与分析
• 2.5.1 干涉光束数目对F-P 滤波器性能影响
• 2.5.2 腔体端面平行度对F-P 滤波器性能影响
• 2.6 可调谐F-P 滤波器光学参数确定
• 2.7 本章小结
• 第3章 可调谐F-P 滤波器结构研究
• 3.1 微位移驱动器
• 3.1.1 PZT 微位移驱动器
• 3.1.2 GMM 微位移驱动器
• 3.1.3 基于磁场梯度力的微位移驱动器
• 3.1.4 基于电场力的微位移驱动器
• 3.1.5 微位移驱动器的方案选择
• 3.2 可调谐F-P 滤波器结构设计
• 3.2.1 光纤插芯对准装置设计
• 3.2.2 可调谐F-P 滤波器结构加工及安装方法
• 3.2.3 结构谐振频率
• 3.2.4 测量结果与分析
• 3.3 可调谐F-P 滤波器的低温漂结构仿真设计
• 3.3.1 可调谐F-P 滤波器温度稳定性实验
• 3.3.2 有限元建模仿真
• 3.3.3 可调谐F-P 滤波器低温漂结构设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 系统输出信号重建算法
• 4.1 解调系统噪声分析及处理方法
• 4.1.1 光路噪声分析及抑制方法
• 4.1.2 电路噪声分析及电路设计方法
• 4.1.3 数字信号处理方案选择
• 4.2 数字低通滤波算法
• 4.3 峰值提取算法
• 4.4 实验结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 解调系统的实时动态校正技术研究
• 5.1 实时动态校正系统研究与设计
• 5.1.1 串联型实时动态校正系统
• 5.1.2 并联型实时动态校正系统
• 5.1.3 实时动态校正方案选择与改进
• 5.1.4 快速分段算法
• 5.2 信号处理单元设计
• 5.2.1 信号处理单元整体结构
• 5.2.2 A/D 驱动单元
• 5.2.3 D/A 驱动单元
• 5.2.4 光开关控制单元
• 5.2.5 线性相位FIR 滤波单元
• 5.2.6 数据压缩单元
• 5.2.7 状态机单元
• 5.2.8 基于USB2.0 接口的数据传输单元
• 5.2.9 上位机软件
• 5.3 实验结果
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢