基于线阵光电探测器的光纤光栅传感解调系统的研究

论文摘要

论文主要研究基于线阵光电探测器的光纤光栅传感解调技术。布喇格光纤光栅自从70年代末出现以来,由于其良好的滤波特性和灵敏的温度和应变响应,已经在光纤通信、传感和测量领域取得了广泛应用。光纤光栅传感器是一种波长调制型光纤传感器,除了具有光纤传感器的质量轻、体积小、灵敏度高等各种优点外,还有着对光功率起伏不敏感、可实现参量的绝对测量和易于复用等特点。虽然光纤光栅传感利用波长这个绝对参量感应外部信息,但是当外部多个参量综合作用时,而且当光纤光栅传感器的数目增加时,光纤光栅分布传感的解调技术就成为关键。解调系统也是整个光纤光栅传感系统的重要部分。本论文以传统CCD探测解调方法为基础,以布喇格光纤光栅为研究对象,对CCD探测系统的内部结构及信号处理的相关问题进行探讨和研究,搭建了利用红外CCD探测解调的布喇格光纤光栅传感系统,并着重分析了系统的解调特性。主要内容如下：1.简要介绍了光纤光栅传感技术的发展和现状,比较常见解调技术的原理和特点,着重介绍基于CCD探测的解调技术,并分析了传统的可见光CCD用于布喇格光纤光栅传感解调的不足,探讨使用红外CCD用于光纤光栅传感解调系统方案。2.深入研究了光纤光栅传感解调系统的主要部分：传感部分和信号处理部分。研究了体相位光栅的分光原理和光电探测器阵列的探测原理、结构,解决了用于布喇格光纤光栅解调的体相位光栅和探测器类型选择的问题。在分析布喇格光纤光栅的传感特性的基础上,调整系统光学结构,实现光电一体化的设计,符合解调系统小型化的发展趋势。3.探讨了光纤光栅传感系统中光电阵列探测器采集的信息并进行数据处理的问题,建立了光纤光栅传感反射波长与探测阵列像元位置的物理数学模型和光强与像元大小的物理数学模型,研究了提高光谱峰值定位的方法,理论上论证该方法能解决系统空间分辨率低的问题。4.利用基于红外CCD探测解调方法,结合波分复用、时分复用等技术,搭建了基于体相位光栅和线阵InGaAs光电探测器的光纤光栅传感解调系统,并通过DSP芯片完成系统输出信号的处理,并设计配套的数据采集软件,方便二次开发。这套解调系统解调速度快,功耗低,而且重复性和可靠性极高,基本实现了光纤光栅传感解调的智能化,具有很好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 光纤光栅传感概述
• 1.1.1 光纤光栅的发展历程
• 1.1.2 光纤光栅的种类
• 1.2 光纤光栅的传感原理
• 1.3 光纤光栅传感解调技术
• 1.3.1 边缘滤波器检测法
• 1.3.2 可调谐滤波探测法
• 1.3.3 干涉仪探测法
• 1.3.4 基于光电探测器成像的探测法
• 1.4 论文的立项依据与研究内容
• 第2章 CCD系统的理论基础
• 2.1 CCD系统的结构及测量原理
• 2.2 CCD系统的光学理论
• 2.2.1 体相位光栅的耦合波理论
• 2.2.2 体相位光栅对读出光的选择性衍射
• 2.2.3 体相位光栅的分光原理
• 2.2.4 体相位光栅的选择
• 2.3 CCD系统的光电转换理论
• 2.3.1 光电二极管阵列
• 2.3.2 CMOS
• 2.3.3 CCD
• 2.3.4 探测器阵列的选择
• 2.4 本章小结
• 第3章 CCD系统的信号分析和处理算法
• 3.1 建立光波长与像元位置的物理数学模型
• 3.2 建立光强度与像元大小的物理数学模型
• 3.2.1 用探测器阵列获取的光谱信号
• 3.2.2 光谱信号的复原
• 3.3 光谱峰值精确定位的方法
• 3.3.1 光谱峰值的判定
• 3.3.2 光谱强度曲线拟和
• 3.3.3 数值算法
• 3.4 探测系统噪声源的分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于CCD解调的光纤光栅传感系统的研制
• 4.1 传感解调系统结构
• 4.2 光源的选择
• 4.3 时分复用模块的信号处理电路
• 4.4 CCD探测系统驱动电路的设计
• 4.4.1 器件型号的选择
• 4.4.2 驱动电路的设计
• 4.5 信号处理电路的设计
• 4.5.1 芯片VSP3010的管脚说明和组织结构
• 4.5.2 芯片VSP3010的内部结构和配置应用
• 4.5.3 VSP3010驱动时序分析与设计仿真
• 4.5.4 CCD系统驱动时序与信号处理电路时序的整合
• 4.6 传感解调系统采集软件的设计
• 4.7 本章小结
• 第5章 实际系统的测试及性能分析
• 5.1 传感解调系统实验结果
• 5.2 解调系统性能分析
• 5.2.1 信噪比
• 5.2.2 解调系统波长的准确性和稳定性
• 5.2.3 解调系统输入功率准确性和稳定性
• 5.3 解调系统在工程中的应用
• 5.3.1 渗流监测的应用需求分析
• 5.3.2 工程中渗流监测原理
• 5.3.3 实测结果与分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的学术论文与研究成果