（信号与信息处理专业论文）基于dsp的光纤bragg光栅传感信号解调技术的研究.pdf

哈尔演理t 大学t 学硕j j 学位论文 基于d s p 的光纤b r a g g 光栅传感信号 解调技术的研究 摘要 光纤b r a g g 光栅传感器是以光纤布拉格光栅作为敏感元件的功能型光纤 传感器，由其构成的分布式光纤b r a g g 光栅传感器有广泛的应用领域。当该 传感器受温度、应变等外界参量的作用时，布拉格波长会发生相应的漂移， 因此，研究光纤b r a g g 光栅传感器的关键问题是如何精确测量多点光纤 b r a g g 光栅反射波长漂移量。 本文详细分析了传统的电路变换、峰值检测和相关检测法的不足之处， 提出基于f p 可调谐滤波器，采用插值和分段f f t 快速相关算法相结合的 处理技术。从理论和m a t l a b 仿真两方面进行了分析，验证了该方法理论 上的可行性。 根据实际情况和算法具体要求，选择d s p 芯片( t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 ) 及外 围电路器件完成了硬件电路板的设计和制作。在硬件设计的基础上，用c 和汇编混合编程，完成核心算法及与硬件相关的软件设计，并用v b 编写了 上位机界面。 通过模拟的信号源，在制作的硬件电路板上实现了插值一分段f f t 快 速相关算法，从上位机界面所接收到的数据可以看出采用该方法可以直接求 出波形的位移偏移量。与峰值检测和分段f f t 快速相关算法相比误差较 小；与相关检测法相比运算量小很多，能够更快速的进行数据处理。 关键词光纤b r a g g 光栅：快速傅立叶变换：波长解调；数字信号处理器 坠查堡呈三查兰三耋堡：茎堡鎏三 r e s e a r c ho nd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yo ff i b e r b r a g gg r a t i n gs e n s i n gs i g n a lb a s e d o nd s p a b s t r a c t f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o ri saf u n c t i o nf i b e r o p t i cs e n s o rw h i c hu s e sf i b e r b r a g gg r a t i n ga st h es e n s i t i v ed e v i c e d i s t r i b u t e do p t i c a l f i b e rb r a g gg r a t i n g s e n s o rc o n s t i t u t e dw i t hi th a sab r o a da p p l i c a t i o nf i e l d w h e nt h es e n s o r u n d e r g o n et h ee x t e r n a lp a r a m e t e r s ，s u c ha st h et e m p e r a t u r et h es t r a i n ，t h eb r a g g w a v e l e n g t hw i l l d r i f tc o r r e s p o n d i n g l y t h e r e f o r e ，t h em a i np r o b l e ma b o u t r e s e a r c h i n go nf i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o ri sh o wt oj n e a s u r et h ew a v e l e n g t hs h i f t r e f l e c t e db yt h ef i b e rb r a g gg r a t i n g t h i st h e s i sa n a l y z e st h ed e f i c i e n c i e so ft h et r a d i t i o n a lc i r c u i tt r a n s f o r m a t i o n ， t h ep e a kd e t e c t i o na n dt h ec o r r e l a t i o np e a kd e t e c t i o nm e t h o d b a s e do nf p t u n a b l ef i l t e r , ap r o c e s s i n gt e c h n o l o g yc o m b i n i n gs u b s e c t i o nf f tc o n v o l u t i o n c o m p u t a t i o nm e t h o dw i t hl i n e a ri n t e r p o l a t i o nm e t h o di sp r e s e n t e d t h i st h e s i s a n a l y z e st w oa s p e c t sb o t ht h et h e o r ya n dm a t l a bs i m u l a t i o n ，v e r i 母i n gt h e t h e o r e t i c a lf e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o d a c c o r d i n g t ot h e a c t u a ls i t u a t i o na n ds p e c i f i c a l g o r i t h mr e q u i r e m e n t ， s e l e c t i n gd s pc h i p ( t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 ) a n dt h ep e r i p h e r a lc i r c u i t s ，d e s i g na n d m a k et h eh a r d w a r ec i r c u i tb o a r d u s i n gcl a n g u a g ea n da s s e m b l el a n g u a g et o c o m p l e t et h ec o r ea l g o r i t h ma n dt h es o f t w a r ed e s i g nt h a t b a s e do nh a r d w a r e d e s i g n a n dp r e p a r a t i o no fa p ci n t e r f a c ew i t hv b u s i n gt h es i m u l a t i o ns i g n a ls o u r c e ，t h ep r e s e n t e da l g o r i t h mi sa c h i e v e do n t h eh a r d w a r ec i r c u i tb o a r d f r o mt h ed a t ao b t a i n e df r o mt h eh o s tc o m p u t e r i n t e r f a c ec a ns e et h a tt h ew a v e l e n g t hs h i f tc a nb ec a l c u l a t e dd i r e c t l y c o m p a r e d w i t ht h ep e a kd e t e c t i o na n ds u b s e c t i o nf f tc o n v o l u t i o nc o m p u t a t i o nm e t h o d ， t h i sm e t h o dh a ss m a l l e re r r o r ；c o m p a r e dw i t ht h ec o r r e l a t i o nd e t e c t i o nm e t h o d ， c o m p u t a t i o n a ll o a di sl o w e ru s i n gt h i sm e t h o d ，a n dc a l lp r o c e s st h ed a t af a s t e r - 坠尘堡呈二叁兰三耋堡! ：兰堡兰圣 k e y w o r d sf i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) w a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o n ； ；f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) ； d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 1 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于d s p 的光纤b r a g g 光栅 传感信号解调技术的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外 不包含他人己发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 ， 作者签名：泵泼日期：力啊年? 月功j 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于d s p 的光纤b r a g g 光栅传感信号解调技术的研究系本人在哈尔滨理 工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：鼋字段 ， 导师躲午j 1 7 亍渗 日期：扣叼年3 月髟日 f 日期：劝矽年弓月z 6 日 哈尔滨理t 大学t 学硕 学位论文 第1 章绪论 1 1 国内外光纤b r a g g 光栅传感技术的研究现状及发展趋势 自从1 9 7 8 年k o h i l l 发现掺锗光纤中的光致光栅现象并制造出世界上第 一只光纤光栅以及1 9 8 9 年m e l t 成功地实现光纤光栅紫外光侧面写入技术以 来，光纤光栅在光纤通讯和光纤传感等领域得到了很大的发展。此后不久又出 现了更加有效的相位掩模复制法和准分子激光单脉冲在线写入法。光纤光栅制 作方法的成熟极大地推动了光纤光栅应用技术的发展，也带动了光纤光栅传感 器的发展，受到了世界的广泛重视，并且取得了快速和持续的发展1 1 1 。 当前世界上光纤传感器研究的两大热点口l ：一个是用于生物、化学、医疗 及环境保护等领域的光纤传感器的研究，主要用于环境污染监测及液体浓度、 成份、比例、p h 值、血氧饱和度、药物浓度等参数的检测；另一个热点是用 于智能结构( s m a r tm a t e r i a l ) 和材料的光纤传感器的研究，主要用于结构内部 应变、压力、温度、振动、载荷疲劳、结构损伤等参数的监测，这方面的代表 就是光纤光栅传感器。 目前国外光纤光栅传感器己经在大型民用工程结构、电力工业、航空航天 业、船舶工业、医学、核工业、石化工业、水利工程、采矿业等多个领域，并 获得了研究和应用”l1 4 1 3 1 。大型民用工程建筑方面，加拿大多伦多航空研究院 光纤灵巧结构实验室和安大略d o w n s v i e w 的e l e c t r op h o t o n i c s 公司将他们研制 成功的f b g 传感器及其解调系统用于测量1 9 9 3 年建成通车的加拿大 b e d d i n g t o nt r a i l 大桥的应力。该桥是世界上第一座采用碳纤维复合材料预应力 加强筋的高速公路桥；在航空航天业的研究和应用方面，如英国航空领导1 1 个合作机构进行研究，目的在于减少2 0 的飞机检测，这意味着一架2 0 年寿 命的飞机将节省两百万美元的检测费。为实现此目的，几种传感技术都纳入研 究范围，其中包括光纤光栅传感技术；在石化工业方面的研究和应用如，最近 的s p i r i n 等人用一种聚合物封装光纤光栅，这种聚合物遇到碳氢化合物时会膨 胀，没有了碳氢化合物后可恢复。将这种光纤光栅传感器置于待测的地方，如 果有碳氢化合物的渗漏，聚合物就会膨胀，光纤产生应变，光栅反射的布拉格 波长发生漂移，通过监视布拉格波长的漂移就可知道光纤光栅处的石油泄漏情 况。还有很多方面，这里不再一一列举。 哈尔滨理丁大学t 学硕i ：学位论文 光纤光栅传感解调方法有许多1 6 1 ，但是能够实际应用的解调产品并不多， 而且价格昂贵。美国m i c r o no p t i c s 是一家光纤光栅传感解调产品做得比较好 的公司，他们新推出的f b g s l i 采用可调激光扫描方法，其动态范围3 0n l t l ， 分辨率为lp m ，测量精度5p m ，扫描速度1 0 0h z ，可以同时对四路光纤多达 2 5 6 个布拉格光栅进行询查，但价格需几万美元；b l u er o a dr e s e a r c h 推出一种 基于啁啾光栅的解调系统，取样率可达7k h z ，并称最高可达3m h z ，价格约 5 千美元，但这种解调系统只能解调一个光纤光栅，而且分辨率和精度都不 高；美国l u l l a 准备完成的d g d s 原型机，声称可以同时测量四根8m 长光纤 上的3 0 0 0 个布拉格光栅传感器，报价为十万美元，如此高的价格很难在实际 工程中得到广泛应用。因此研究开发适于实际工程应用的解调系统、降低解调 系统的成本，是使光纤光栅传感器能够在实际工程应用中得到推广的关键问 题。 我国在7 0 年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与发达国家相 差不远。目前己有上百个单位在这个领域开展工作，如清华大学、华中理工大 学、武汉理工大学、重庆大学、核工业总公司九院、电子工业部1 4 2 6 所等。 他们在光纤传感器等领域进行了大量的研究，取得了上百项科研成果。但与发 达国家相比，我国的研究水平还存在很大差距，主要表现在商品化和产业化方 面，大多数产品集中于实验室研制阶段，批量生产和工程化应用还没有达到普 及。 单点f b g 传感器具有诸多优点，在实际应用中发挥着重要作用，但因其 感测点少及对光源的独占性，使其性价比降低。因此，研究开发对温度、应 变、位移、压力等诸多参量敏感的各种阵列式传感器，是光纤光栅技术发展的 重要趋势之一。 总之，目前国外的一些公司已研究开发出了高精度、高分辨率的f b g s 解 调仪，但价格十分昂贵，很难在实际工程中得到广泛应用。而国内对此的研究 成果效益化及实际应用都还不够完善。 1 2 课题研究的目的和意义 光纤b r a g g 光栅( f b g - - f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 是一种沿光纤长度方向折射 率的周期扰动形成的元件。近些年来光纤传感器的研究热点之一是光纤b r a g g 光栅传感器【7 】。自提出使用f b g 测量应变和温度以来，f b g 传感器已经取得 了持续和快速的发展。由于f b g 传感器被证实能对各种常数进行测量，其应 哈尔滨理t 大学t 学硕 j 学位论文 用覆盖了大型复合材料和混凝土、电力工业、医药和化学各个重要领域。目 前限制光纤光栅传感器大量实际应用的最主要的障碍之一就是传感信号的解调 9 1 ，因此，开展f b g 传感解调技术研究具有十分重要的意义。 传感信号的解调通常分为两个部分：一部分为光信号处理，完成光信号波 长信息到电参量的转化；另一部分为电信号处理，完成对电参量的信号处理， 提取外界信息以人们熟悉的方式显示出来。因此对于解调过程中电参量信号处 理的研究具有实际意义。由于反射波长的移动量与被测量( 如温度、压力等) 的变化量成线性关系，因此，上述解调过程的关键问题就是要研究如何高精度 地测量光纤光栅的反射波长的移动量的问题。 对光纤光栅传感器的波长移位最直接的检测方法就是用光谱仪( 或单色仪) 检测输出光的a ，这种方法的优点是结构简单，适宜于实验室使用；缺点是 传统的以色散棱镜或衍射光栅为基础的光谱仪分辨率较低，无法满足实际要 求。虽然高分辨率的光纤光谱分析仪可以满足要求，但这类光谱仪的价格昂 贵，体积庞大，由此构成的系统缺乏必要的紧凑性和牢固度。在一个面向实际 应用的传感器系统中采用这类光谱仪检测光纤光栅的波长移位是极不现实的， 更重要的是它不能直接输出对应于波长变化的电信号，这对于测量结果的记 录、存储和显示以及提供给控制回路必要的电信号己达到工业生产过程自动控 制的目的都是极为不利的。因此，设计实用、低价格、高分辨率的光纤光栅传 感器信号解调系统十分重要。 迄今为止，人们在这方面进行了大量的研究工作，竞相开发结构简单而且 实用的高分辨率光纤光栅传感器信号解调系统。已提出了一些解调方案【l o i ，比 如滤波法( 体滤波法、匹配光栅滤波法、可调谐f p 滤波法) 、干涉法、可 调窄带光源法和色散法等，并取得了令人瞩目的进展。具有我国自主知识产权 的温度压力光纤传感器采用电路变换的方法、将f p 光学谐振腔经光电变换 所分析出的信号整形为脉冲方波，该方法很难确定真正的峰值点是否在脉冲方 波的中心位置，准确度不高。当分析出的电信号中有两个信号波形发生了部分 重叠时，那么经过整形电路两个重叠的信号就会被整形为一个脉冲方波，这样 在测量上就不可避免带来误差，因此对其改进尤为重要，而且在波长分辨率和 测量精度上有待于进一步提高，在处理速度上也需要找到一种快速的算法使其 进一步提高。 竺尘堡矍二奎兰三兰至! ：兰竺竺三 1 3 本课题的主要研究内容 本论文主要做了以下几个方面的研究： 1 深入分析研究光纤b r a g g 光栅的多种解调方法； 2 提出采用插值一分段f f t 快速相关算法对解调系统中电信号处理部分进 行优化，通过理论和计算机仿真两方面深入分析，验证了该方法理论上 的可行性； 3 分析实际情况和算法的具体要求，选择合适的d s p 芯片及外围电路器件 完成了硬件电路板的设计和制作； 4 用c 和汇编混合编程，完成核心算法及软件设计； 5 用v b 编写上位机界面，实现上位机能够通过串口对下位机进行控制， 完成数据的发送、接收、存储、显示、打印、报警、查询故障传感器及 其发生故障的时间等功能； 6 软件硬件综合调试，使软件能够脱离仿真器在硬件板上独立运行，并利 用模拟的信号源验证该电信号处理方法是有效性。 哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学位论文 第2 章光纤b r a g g 光栅传感信号解调技术 本章主要介绍了光纤b r a g g 光栅传感原理和一些典型的解调方法，针对整 个解调系统中的电信号处理部分，在前人提出的相关算法】 1 2 1 邮1 的基础上，笔 者提出采用插值一分段f 丌快速相关算法进行信号处理，并从理论和 m a t l a b 仿真两方面进行了深入的分析。 2 1 光纤b r a g g 光栅传感原理 光纤b r a g g 光栅传感技术是通过对在光纤内部写入的光栅反射或透射波 长光谱的检测，实现被测结构的应变和温度等量值的绝对测量，其传感原理如 图2 - 1 所示。 宽带光源入射谱光纤光栅反射谱光纤光栅投射谱 图2 - 1f b g 传感原理 f i g 2 一ip r i n c i p l ef o rs e n s i t i v i t yo ff b g 宽带光源发出的光经过f b g 时，由模式耦合理论可知，只有波长满足 b r a g g 条件的光波被f b g 反射回来，其余波长的光波透射。b r a g g 条件，见式 ( 2 1 ) 所示。 厶。2 n , l r a ( 2 1 1 式中厶f b g 中心反射波长； 人光栅栅距； 哈尔滨理t 大学t 学硕f 学位论文 e f t 纤芯有效折射率。 当外界的温度、应变等被测量发生变化时，使f b g 的栅距a 或有效折射 率”。产生变化时，被f b g 反射的b r a g g 波长砧亦产生相应变化。由式( 2 1 ) 的微分得知其b r a g g 波长的偏移量见式( 2 2 ) 所示。 九= 2 a 血盯+ 2 a r 2 2 、 对f b g 的理论分析和试验研究表明1 1 4 】，f b g 的温度和应变灵敏度很小， 在b r a g g 波长为1 5 0 0n l n 时，典型的温度和应变灵敏度分别为o 0 1 1n m 。c 和 o 0 0 1 2n m ，从而实现了待测量对反射信号光的波长编码调制。因此通过实 时监测反射波长的偏移量，再根据血。、人与待测量之间的线性关系，即可 获得待测物理量的变化。 2 2 光纤b r a g g 光栅传感信号解调方法分析 目前己有的解调信号的方法较多，最直接的检测方法就是用光谱仪( 或单 色仪) 检测输出光的旯，但传统的以色散棱镜或衍射光栅为基础的光谱仪分 辨率较低，无法满足要求；虽高分辨率的光谱仪可以满足要求，但价格昂贵， 体积庞大，携带不便，使用时需反复校准，更重要的是它不能直接输出对应于 波长变化的信号。因此，人们提出了多种波长解调方法，若从系统结构和检测 手段来考虑，归纳起来可分为宽带光源配合边缘滤波器接收、宽带光源配合干 涉接收、可调谐窄带光源配合宽带接收和宽带光源配合可调窄带接收这几种方 案。下面仅对其中一些检测方法进行较为详细地介绍。 2 2 1 边缘滤波法 m a d a v i s 等人利用波分耦合器在1 5 2 肛1 5 6 0n l l l 的波长范围内，耦合器 的效率与波长基本呈线性关系的特殊传输特性来测量光纤光栅的波长变化l ”1 0 6 1 。测量系统如图2 2 所示。宽带光源发出的光被传感光栅反射回来后进入耦 合器。耦合器的出射光分为两束，这两束光的功率与入射光的功率关系在同一 坐标系下形如x 型。两束出射光通过光电探测器变成电信号，经过处理后消除 光功率变化的影响，最后得到波长的变化量。这种方法后续的电子处理电路极 为简单，但由于受器件传输特性的影响，测量的分辨率较低。对于一些对测量 分辨率要求不是很高的场合而言，该方法提供了一种结构简单、性能价格比很 哈尔滨理- r = 大学t 学硕i 。学位论文 高的测量方案。 图2 2 边缘滤波法解调示意图 f i g 2 - 2d i a g r a mo f e d g i n gf i l t e r i n gd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y 2 2 2 非平衡m a c h z e h n d e r 干涉仪解调法 1 9 9 2 年，a d k e r s e y 等人提出非平衡m a c h z e h n d e r 干涉仪解调法i i g l ， 其原理是：利用非平衡m a c h z e t m d e r ( 不等臂长的m z ) 干涉仪将传感光栅的 中心波长偏移量转化为相位变化量，通过对其输出的相位信号检测即可得到传 感光栅中心波长的变化。如图2 3 为采用非平衡m z 干涉仪的解调示意图。宽 带光源( b b s ) 的光经耦合器进入传感光纤光栅，传感光纤光栅的反射光先后 经2 个耦合器进入非平衡m z 干涉仪。当f b g 的反射波长变化a 2 s i n ( 纠) 时， 非平衡m z 干涉仪输出光的相位变化烈丑) 见式( 2 5 ) 所示。 妒o ) = 一( ( 2 m t d ) 2 2 ) a 2s i n ( 耐) ( 2 5 ) 式中n 光纤的折射率： d 干涉仪两臂长度差； a ，一光栅反射光波的中心波长。 故通过检测非平衡m z 干涉仪输出光的相位变化p ( 旯) ，便可得到f b g 波长变化量，从而探知被测物理量大小。 非平衡扫描m z 光纤干涉仪解调装置适用于动态参量的高分辨率测量 ( 1 0 0 h z ) ，应力分辨率可达0 6h s h z ，利用此方法可以构成时分复用分布 式传感系统。该装置虽然能够提供高解析度的解调能力，但随机相移使得该方 法局限于测量动态应变，不适合于绝对应变的测量，且干涉仪相位变化2 石决 定其测量范围非常有限。 哈尔滨理丁大学t 学硕 学位论文 图2 - 3 非平衡m z 光纤干涉仪解调示意图 f i g 2 3d i a g r a mo fu n b a l a n c e dm - zf i l t e ri n t e f f e r o m e t r i cd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y 2 2 3 可调谐窄带光源解调法 可调谐窄带光源解调法m l 采用波长周期变化的窄带光谱扫描传感光栅的反 射谱。可调谐窄带光源固定在压电体p z t 上，当p z t 受锯齿波或j 下弦电压驱 动时，窄带光源的光谱在一定范围内扫描变化。当其输出波长与传感光栅反射 波长相同时，探测器接收到的信号光强最大，此时由p z t 的电压波长调谐关 系即可获得传感f b g 的中心反射波长位移。可调谐窄带光源解调示意图如图 2 - 4 所示。 图2 4 可调谐窄带光源解调示意图 f i g 2 - 4d i a g r a m o f t u n a b l en a l t o w b a n dl i g h ts o t l i t , ed e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y 为了提高系统分辨率，可在扫描电压上加一微小正弦电压使可调谐窄带光 哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学位论文 源的出射光锁定在光纤光栅的反射光谱峰值处。这类系统具有较高的信噪比和 分辨率，所得最小波长分辨率约2 3p m ，对应温度分辨率约0 2 ，但目前 d b r 光纤激光器的稳定性和可调谐范围不够理想，在一定程度上限制了传感 f b g 的数目和使用范围。 2 2 4 可调谐光纤f p 滤波器解调法 可调谐光纤f p 滤波器1 2 0 j 的核心部分就是法布里一珀罗腔( f p 腔) ，f - p 腔可以作为一个窄带滤波器。在一定波长范围内，若以平行光入射到f - p 腔， 则只有满足相干条件的某些特定波长的光才能发生干涉，产生相干极大。利用 f p 腔的这个特性可以对f b g 传感器的反射波长进行检测。 利用可调谐f p 滤波器对f b g 传感器的反射波长进行检测的工作原理如 图2 - 4 所示。从宽带光源发出的光经隔离器传送到f b g 传感器。满足特定波 长条件的光将分别被光纤光栅f b g l 、f b g 2 ，f b g n 反射并沿原路返回，经 过一个3 d b 耦合器引入到可调谐f p 腔中。可调谐f p 腔的结构如图2 5 所 示。从光纤入射的光经透镜l 1 ，变成平行光入射到f p 腔，出射光经透镜 l 2 ，汇聚到探测器上。构成f - p 腔的两个高反射镜中的一个固定，另一个可移 动且背面贴有一个压电陶瓷( p z t ) 。给压电陶瓷施加一个扫描电压，压电陶 瓷产生伸缩，从而改变f p 腔的腔长，使透过f p 腔的光的波长发生改变。若 f p 腔的透射波长与f b g n 的反射波长重合，光电探测器将探测到与各个波长 相对应的多个透过峰( 类高斯的波形【2 1 1 ) ，通过分析多个透射峰与压电陶瓷驱 动电压的对应关系，就可以测得各个光纤光栅的波长。 图2 - 4 可调谐f p 滤波器解调示意图 f i g 2 4t h ed i a g r a mo f t u n a b l ef - p f i l t e rd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y 9 - 哈尔滨理t 大学t 学硕1 ：学位论文 图2 - 5 可调谐f - p 腔结构示意图 f i g 2 5s c h e m a t i cg r a p h i co f t h es t n j c n i t o f t u n a b l ef - p 2 3 本论文采用的解调方法 器 上一节我们对几类解调方法中典型的解调方法进行了分析，除了这些解调 方法，还有匹配光栅解调法、反射( 透射) 方式匹配f b g 滤波法、外加调制非 平衡m z 干涉法、锁模调制法和环形腔激射法、c c d 分光计解调法、倾斜啁 啾光栅法等等，我们不能一一详细说明，总之，各种方法都有各自的优缺点， 但就满足大部分实际工程需要的角度来讲，可调谐f p 滤波器法是一种较好的 方法，可调谐f p 滤波器波长扫描范围典型值为几十纳米，调谐范围很宽，可 以实现多传感器测量，测量仪器体积小、成本适中( 典型价格为几万元) 。因 此，可调谐f p 滤波器法在国内外得到了广泛的应用，在光纤传感领域具有广 泛的应用前景。 武汉理工大学光纤研究中心研制的具有我国自主知识产权的温度压力传感 器解调系统。该系统也是以可调谐法布里珀罗腔为基础设计了对分布式f b g 波长的变化进行解调的解调方案吲。该解调系统通过d s p 软件生成p z t 驱动 电压的数字量，经过d a 转换成模拟驱动电压，在o 到1 0 v 之间迸行周期性 循环扫描，来控制f p 腔的导通频带，使f p 腔的导通频带扫描整个f b g 反 射光谱。当f b g 反射波长与f p 腔干涉滤波透射波长重合时，光电探测器探 测到最大光强，将此光强信号变换成电信号，给定一个闽值电压对它整形，得 到规则的方波脉冲信号。将方波信号送到d s p 系统中，d s p 通过检测方波脉 冲的上升沿和下降沿对应的驱动电压值，计算出脉冲方波中心对应的电压值， 再根据波长和扫描电压的关系便可得出传感光栅受外界物理量影响后波长的漂 移量，最后根据传感器外界物理量与波长的编码关系式即可计算出待测物理量 温度、压强或应变等的大小。 将光电变换后的信号整形为脉冲方波信号，通过计算脉冲方波的中心位置 哈尔滨理1 = 大学t 学硕 学位论文 来确定波长漂移量的电路变换方法，该方法很难确定真正的峰值点是否在脉冲 方波的中心位置，准确度不高，当两个波形信号发生重叠时该电路变换方法没 有办法解决。文献1 中提出采用相关运算的方法可以解决波形部分重叠的问 题。 鉴于上述可调谐光纤f p 滤波器解调方法有诸多优点，本论文光路部分采 用可调谐光纤f p 滤波器解调方法，在信号处理部分对相关算法进行改进，提 出用插值一分段f f t 快速相关算法来求得传感光栅由于外界激励作用而产生的 位置偏移量。解调系统原理图见2 - 6 所示，具体的解调过程下一节讲解。 图2 - 6 解调系统装置图 f i g 2 - 6t h ec o n f i g u r a t i o no f m o d u l a t i o ns y s t e m 2 4 解调信号的插值一分段f f t 快速相关算法分析 2 4 1 解调信号特点分析 当宽带光源发出的光经光隔离器，再经3 d b 耦合器后进入f b g 传感器， f b g 传感器反射回高斯分布的光再次经过这个3 d b 耦合器后进入f - p 可调谐 滤波器，再经光电变换、放大，得到一电信号，此时如果系统是采用电路变换 的方法，2 3 节已经说明，该方法准确度不高，并且不能解决波形的部分重叠 问题：如果采用计算该电信号每个峰的峰值点所对应的电压值，也就是相当于 哈尔滨理t 大学t 学硕l 学位论文 计算这个峰值点在周期中的相对位簧的方法，这种方法叫峰值检测法( c p d c o n v e n t i o n a lp e a kd e t e c t i o n ) 田】，该方法就需要设计一个采样电路将信号采集 进来再进行分析，但是采集电路并不能保证一定将真正的最大值那一点的值采 集进来，且很大程度上取决于采样频率的大小，频率越大计算的波峰位置越精 确。因此采用计算信号某一点( 峰值点) 位置的方法不是一个很好的方法。 如果能够把每个传感信号看成一个整体，通过计算整个信号在周期内的相 对位置，也就求得了整个传感信号的位置偏移量，这种方法将会大大提高计算 的精度及降低实现的难度。 在实际应用的很多f b g 传感系统中，f b g 光谱只有光功率的起伏以及光 谱的总体漂移，光谱的形状总是保持不变，只有位置发生移动。这个特性预示 着一种可能性，对于有某种相关性的两变量，即b r a g g 波长的漂移可以通过比 较原始频谱和漂移后频谱的相似性来获得。这种相似性可以用互相关函数来表 示。下一节我们讨论互相关算法的原理。 2 4 2 相关算法的原理及可行性分析 在实际情况中，经常会遇到两个信号x ( t ) ，y ( t ) 输入同一电路，并且一般是 实函数。如果它们是能量有限信号，则相关函数可定义为 r ，( f ) 2i 。x ( ，沙。一r ) d t l y ( f ) x ( r + f ) 出 ( 2 - 6 ) 所以相关函数是两信号之间时延为r 的函数。若x ( t ) 与y ( t ) 不是同一信号， 则它们的相关函数r 。( f ) 称为互相关函数。 若x ( t ) 和y ( t ) 是功率有限信号，那么上述定义的相关函数已失去了意义。 因为在【0 0 ，+ 。o 】的区间里功率函数是不可积的。这时，通常把这类信号的相关 函数定义为式( 2 7 ) ，这里的f 也是表示两信号之间时延。 1 一- t r 口( f ) _ l i m 二7 1 臣x ( f ) y ( f f 矽 ( 2 7 ) 2 针对我们的解调系统，设由光电变换采样后得到的离散的两个带噪声的波 形信号x ( i ) 和y ( i ) ，( i = l ，2 ，3 n ，表示波长) ，二者互相关运算定义为 r 。【，) = 专x ( f 一- ，) y ( f ) ( 2 8 ) j f l 式中i 加在x 上的波长漂移。 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 根据互相关的性质，r 。( ，) 在x ( ) 和y ( i ) 重叠得最多，最相似的时候得 到最大值。因为每个f b g 反射回来的光谱都是高斯分布【2 1 1 ，所以只要先构造 一个基准谱，然后与实测谱进行互相关运算，求得互相关最大时所对应的j 值，就可以得到实测谱的漂移量，也就得到了b r a g g 波长的漂移量。 可见采用相关算法是可行的，还有一点就是此方法与传统的峰值检测法相 比，具有高精度的特点。峰值检测法是计算原始反射谱中的最大值，而相关算 法则是通过相关计算，改为计算一系列对应不同漂移值的相关值中的最大值。 计算每个相关值时都对许多光谱值做了相加运算，这会按相加数n 的平方根的 规律有效抑制实际原始光谱中的噪声，从而提高波长测量精度。由以下推导可 以看出。 设实际中含噪声为啊( f ) 和n 2 ( f ) 的两个离散波形信号见式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) x ( i ) = 一u ) + r i 【f ) ( 2 9 ) y ( f ) = y 2 【f ) + 2 u ) ( 2 1 0 ) 将式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) 代入互相关运算公式( 2 8 ) 胄胛( ，) = 专b o 一) + 啊。一力】【y ：o ) + 九：( ) 】= r ，。( ，) + 专b 。( f 一，如：( f ) + y ：o k 。( f 一，) 】+ 导( f 一k ：( f ) ( 2 1 1 ) 式中i 加在x 上的波长漂移量； r 。，( ，) 不含噪声的两个输入信号波形的相关值。 在分析噪声之前，我们假设和刀，是相互独立的噪声，它们都服从高斯分 布。定义信噪比s n r ( s i g n a l t o n o i s er a t i o ) 为信号的均方根除以噪声的均方 根，设原信号x ( f ) ，y ( j ) 的信噪比均为s n r o = x c r ，根据高斯分布的独立 性，式( 2 1 1 ) 的信噪比为见( 2 1 2 ) 册= 阶1n ( x 仃) m 吲 ，2 一胙( 4 + 壶 p 由上式可见s n r 值和n 的平方根成正比，只要n 和s n r o 足够大，比 如：n 8 ，s n r o 0 5 ，那么相关后信号的s n r 总比原来信号的s n r o 大，所以 原始光谱中的噪声引起的测量误差就可以被抑制，这样就会使测量精度提高。 事实上经光电变换，放大后确实存在着器件连接处产生的干涉噪声| 2 4 i 、光 电探测器中产生的热噪声、散弹( 粒) 噪声、温度噪声和闪烁噪声等i ”1 ，而且 对于串联的f b g 传感器的数量越多信噪比越低i “1 ，还有就是a d c 采样量化 哈尔演理t 丈学t 学硕卜学位论文 时也会产生噪声。曾有人用f i r 数字滤波器的方法来消除噪声，提高布拉格波 长的解调精度i ，但是这种方法无法消除滤波器通带内的噪声，这部分噪声限 制了测量精度进一步提高，而相关算法可以做到这一点。 从上面的分析可以看到相关算法不但可以直接求出由于外界激励作用而使 传感信号发生的波长偏移量，而且还可以削去噪声，从而提高了信噪比，使解 调更加精确。这两点也正是相关算法的两大工程上的应用i ”1 ，其一：从噪声中 检测信号；其二：根据相关性计算两信号之间的位移量。 2 4 3 拉格朗日插值 为了降低系统硬件实现难厦，便波长测量精厦进一步促两，本文还结合 拉格朗日插值【2 8 1 的方法。整个的工作过程就是先插值，再利用快速相关算法得 到b r a g g 波长漂移。如果只采用插值，然后用峰值检测法是不能提高精度的， 因为插值前后峰值的位置没有改变，而采用插值一相关算法之所以能够提高测 量精度，是因为插值后的波形信号能够与基准信号更好的相似，从而可以更精 确的确定相关后峰值所对应的传感信号波形的偏移量。 我们采用拉格朗日( l a g r a n g e ) 插值法，其公式见( 2 - 1 3 ) 荆= 睾袋名等等胪等蓑哥等等y - + + 孝丛x o x x 意x l 揣x - - x n _ i ) y ” ( 2 - 1 3 ) 。 。k 一，一) ， 州 ”7 我们采用分段插值的方法，每一段选3 个点，令( 2 - 1 3 ) 式中n = 3 得到任 意3 点插值计算公式( 2 - 1 4 ) p g ) = i 老耥p 一。+ 手制只+ 券粼 ( 2 - 1 4 ) ( - 。一 一。x + 一 ) 。“ 由上述分析不难看出，由3 个结点构造出的插值函数是二次的。三点二次 插值的几何解释是用过3 个结点的一条抛物线来近似，故又称抛物插值。具体 的算法实现将在第四章说明。 2 4 4 插值一分段f f t 快速相关算法具体过程 解调系统装置如图2 - 7 所示，当宽带光源发出的光经过同1 根光纤中的一 晴尔演理丁大学t 学硕士学位论文 串f b g 传感器时，由于l 根光纤串联很多f b g 传感器，所以f b g 传感器反 射回来的波形经f p 滤波器( d s p 控制d a c 驱动压电陶瓷循环扫描) 、光电 变换、放大、模拟数字转换器( a d c ) 后的1 个周期的信号数据量较大，在加 上我们为了进一步提高解调精度，在采样数据之间进行了插值，这样一来，信 号的数据量就相当大，这反映信号的长度比较长，如果我们用2 4 2 节提到的 相关算法来用一个基准信号与这个长信号进行相关运算，那么运算量相当大， 就不能达到信号实时处理的目的，因此，提出一种分段f f t 快速相关算法来替 代相关算法。 假设基准信号取m = 2 4 9 点，一个周期采样插值后n = 7 2 0 0 点，如果用简单 的相关运算，至少需要2 4 9 x 7 2 0 0 = 17 9 28 0 0 次复乘法运算，数字信号处理器 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 p g e l 6 0 很难达到实时处理的目的，必须降低运算次数。采用 分段f f t 的快速相关运算，将7 2 0 0 点的采样信号分为4 段【2 9 1 ，每段( l = 1 8 0 0 点) 补零至w = l + m 1 = 2 0 4 8 = 2 ”点( 基2 点) ，样本补零至w 点，将补零后的 样本与第一段w 点分别做f f t ，其中一个求共轭与另一个相乘，结果再求逆 傅立叶变换。同理算出其它三段，再把每段的结果按一定的方式相加( 重叠相 加法【2 9 1 ) 。样本的f f t 只算一次，将其存储，故运算量见式( 2 1 5 ) 运算量：w 1 警_ 2 w ，4 - 4 ( 2 w l 0 9 2 w + 1 、( 2 - 1 5 ) 二 z 将w = 2 “代入式( 2 1 5 ) 得到1 0 95 6 8 次复乘。上面讨论的f f t 都是复数 运算，但实际采集得到的数据都是实数序列，所以只能把虚部看作零来运算， 这样存储器要浪费一半，运算次数也浪费一半，我们改一下软件的程序就可以 用w 2 点的复数运算来替代w 点的实数运算，所以整个的运算量就变为1 0 9 5 6 8 的一半：5 47 8 4 次复数乘法。由此可见f f t 的快速相关算法比直接用相关 算法的运算次数少1 7 0 多万，所以用该算法完全可以达到实时处理的目的。 2 5 算法仿真验证 由光谱仪观察到的f p 滤波器出来的波形近似为高斯型，经光电变换后波 形仍近似为高斯型i ”1 ，为此设计图2 7 所示基准信号s 1 ，由于实际中f b g 传 感器反射回来的波形采样后存在噪声( 2 4 2 节己说明) ，因此图2 8 是五个中 心位置分别为：3 2 4 ，1 1 2 4 ，3 1 2 4 ，6 5 0 0 ，6 7 0 0 的( 记为1 到5 ) 加了高斯白噪 声并且插值后的波形。其中假设第一个波形原来的中心位置在1 2 4 点处，由