（信号与信息处理专业论文）基于径向基函数网络的fbg传感器解调信号的分析与处理.pdf

n 禽尔演理t 入学t 学坝i 学位论文 基于径向基函数网络的f b g 传感器解调信号的 分析与处理 摘要 光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，简称：f b g ) 传感器已成为目f i i 国 内外光纤传感领域研究的热点，它属于波长调制型传感器。与强度和相位调 制型等其他类型光纤传感器相比，具有抗电磁干扰、易复用等优点，因此得 到了广泛的应用。目前限制f b g 传感器走向实用化的关键问题是如何将波 长位移实时地、高精度地解调出来。 本论文首先系统的介绍了f b g 传感器技术的特点及各种解调方法的优 缺点，详细分析了以可调谐光纤f p 滤波器为基础器件的解调方案原理。 其次，由于光纤光栅的封装工艺、解调系统中其它光学器件性能的非理 想因素的影响以及光电转换后相关后续处理的作用，使波形产生畸变、发生 失真。这给f b g 传感器解调系统带来了困难，如果再使用传统的的峰值检 测法和高斯拟合法会产生较大的误差。针对上述问题，本文提出了利用径向 基函数网络进行光谱重构的方法。在理论分析的基础上进行m a t l a b 仿真， 结果表明：与传统的峰值检测法和高斯拟合算法相比，用该方法进行光谱重 构能够减小解调误差，从而提高解调的精度。 最后，根掘实验室条件和算法的具体要求，对解调系统进行软硬件设计 及其功能实现。硬件部分，完成d s p 及其外围电路的设计，解调系统电信 号处理部分的d s p 芯片选用t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 p g e ：软件部分，利 用c 和汇编混合编程，完成核心算法和与硬件相关的软件设计。采用c + + b u i l d e r 编写上位机程序，完成通过串口通讯来控制d s p 的动作，实现数据 的可视化输出、数据的存储和查询等功能。 关键词f b g ：径向基函数网络：曲线拟合：d s p 哈尔演理t 人学t 。学彤i f 学位论史 a n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n go fd e m o d u l a t e ds i g n a l s o ff b gs e n s o r sb a s e do nr a d i a ib a s i s f u n c t i o nnetworknctione t w o r k a b s t r a c t f i b e r b r a g gg r a t i n g ( f b g ) s e n s o r , w h i c hb e l o n g s t ot h e w a v e l e n g t h m o d u l a t i n gs e n s o r , h a sn o wb e c o m ea ni n t e r n a t i o n a lh o t s p o ti nt h ef i e l do f o p t i c a lf i b e rs e n s o rr e s e a r c h c o m p a r e dw i t ho t h e rt y p e so fo p t i c a lf i b e rs e n s o r , s u c ha si n t e n s i t ya n dp h a s em o d u l a t e do p t i c a lf i b e rs e n s o r f b gs e n s o rh a sb e e n w i d e l y u s e df o ri t s s u p e r i o r i t i e s o f e a s ym u l t i p l e x i n g ，r e s i s t a n c e t o e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n ds oo n t h em a i np r o b l e mw h i c hb l o c k st h e u t i l i t yo ff b g i sh o wt om e a s u r et h ew a v e l e n g t hs h i f ta c c u r a t e l yi nr e a l t i m e f i r s t l y ，a l o n g w i t ht h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so fv a r i o u s d e m o u d u l a t i o nm e t h o d s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef b g s e n s i n gt e c h n o l o g yw a s i n t r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a n dt h e nt h ed e m o d u l a t i o ns y s t e mb a s e do nt h e t u n a b l ef i b e rf a b r y p e r o tf i l t e rw a sa n a l y z e di nd e t a i l s s e c o n d l y ，d u et ot h en o n - i d e a lp e r f o r m a n c eo ff b gp a c k a g et e c h n i c sa n d o p t i c a l d e v i c e si nt h ed e m o d u l a t i o ns y s t e m ，a n dt h ee f f e c t so ff o l l o w i n g p r o c e s s i n gr e l a t e dt op h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o n ，t h ew a v e f o r mi sn ol o n g e ra n i d e a lg a u s s i o nw a v ea n dh a sb e e nd i s t o r t e d ，s ot h a tt h e r ea r eg r e a t e rd if f i c u l t i e s a b o u td e m o d u l a t i o ns y s t e ma p p e a r e da n da c c e s s e de r r o rift h ec o n v e n t i o n a lp e a k d e t e c t i o na n dg a u s s i a nf i tm e t h o d sa r eu s e d b a s e do nt h e s ei s s u e sa b o v e ，w e p r o p o s e dam e t h o dt h a tc a nr e c o n s t r u c tf b gs p e c t r u mb a s e do nr a d i a lb a s i s f u n c t i o nn e t w o r k r e s u l t so b t a i n e df r o mm a t l a bs i m u l a t i o nb a s e do nt h e t h e o r ya n a l y s i ss h o w e dt h a t ：c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lp e a kd e t e c t i o na n d g a u s s i o nf i t t i n ga l g o r i t h m 。d e m o d u l a t i o ne r r o rc a nb e r e d u c e db yu s i n gt h i s m e t h o d ，a n dt h e na c c u r a c yo f d e m o d u l a t i o ni si m p r o v e d f i n a l l y ，u n d e rl a b o r a t o r yc o n d i t i o n sa n ds p e c i f i cr e q u i r e m e n t so fa l g o r i t h m ， h a r d w a r e ，s o f t w a r ea n dt h ef u n c t i o nr e a l i z a t i o no ft h ed e m o d u l a t i o ns y s t e m 哈尔演删t 入学丁节坝i j 学位论文 w e r ed e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i nt h eh a r d w a r ed e s i g np a r t ，d s pa n dt h e e x t e r n a lc i r c u i td e s i g nw e r er e a l i z e d ，t h es i g n a lp r o c e s s i n gd s pc h i po ft h e d e m o d u l a t i o ns y s t e mu s e dt i st m s 3 2 0 v c 5 416 p g e ；i nt h es o f t w a r ed e s i g n p a r t ，c 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 na s s o c i a t e dw i t ht h eh a r d w a r ed e s i g n w e r ea c c o m p l i s h e db ym i x e du s i n go fca n da s s e m b l ep r o g r a ml a n g u a g e p r o c e d u r e sf o rt h ep r e p a r a t i o no fp ca r ec o m p i l e du s i n gc + + b u i l d e r a c t i o no f d s pw h i c hc o n t r o l l e d b y s e r i a lc o m m u n i c a t i o nw a sc a r r i e do u ta n d ，t h e v i s u a l i z a t i o no ft h ed a t ao u t p u t ，d a t a s t o r a g e ，a n dq u e r yc a p a b i l i t i e s w e r e a c h i e v e d k e y w o r d sf b g ( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) ，r a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e t w o r k ( r b f n ) ， c u r v ef i t t i n g ，d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 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径向基函数网络的f b g 传感器解调信号的分析与处理，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 分外不包含他人已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。 作者答名少赢蟹嗍2 0 0 8 年3 月羽 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于径向基函数网络的f b g 传感器解调信号的分析与处理系本人在哈 尔滨理工大学攻读硕士学位期f 日j 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。 不保密日。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 导师签名： 尹蕊论 刁为广厚 同期：2 0 0 8 年3 月) 妇 同期：2 0 0 8 年3 殷妇 哈尔演理t 人学t 学硕i j 学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 光纤传感技术在传感器技术中占有十分重要的地位。世界各国都将传感器 技术列为重点发展的高新技术，传感器技术已经成为高新技术竞争的核心技术 之一，并且发展十分迅猛。 光纤传感器是近年来异军突起的一个全新的研究领域。光纤传感器有很多 种类，可以对电磁、机械、温度、化学成分以及核辐射等多种物理量进行精密 测量，与传统传感器相比具有很多优点，如灵敏度高、响应速度快、抗电磁干 扰、耐腐蚀、电气绝缘、可挠曲、便于遥感等。2 0 世纪7 0 年代初研制出第一根 实用光纤后，8 0 年代已经发展了6 0 多种不同的光纤传感器。目i j 已经研制出测 量偏振动、速度、加速度、压力、温度、流量、电场、磁场等多种物理量的数 百种光纤传感器引。目前，很多研究单位和高校也j 下在深入研究与开发光纤传 感技术。在各种光纤传感器中，f b g 传感器是近几年来研究的热点。研究光纤 光栅传感器的关键问题是光纤光栅的信号解调，即波长微小位移的检测问题。 1 2f b g 传感器技术特点及应用现状 1 2 1f b g 传感器技术的特点 f b g 是一种新型的光子器件。自从1 9 7 8 年加拿大通信研究中心的h i l lk o 等人发现掺锗光纤中的光敏光栅现象并制造出世界上第一只光纤b r a g g 光栅以 及1 9 8 9 年美国东哈特福德联合技术研究中心的gm e l t z 成功地实现光纤光栅紫 外光侧面写人技术以来。引，光纤光栅在光纤通信及光纤传感领域显示出广阔的 应用前景。由其构成的光纤光栅传感器与其他强度和相位调制型光纤传感器相 比，具有其它许多传感器无法比拟的优点，例如： ( 1 ) 抗电磁干扰能力强，波长调制型传感器从本质上排除了各种光强起伏， 如光源强度起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏、耦合损耗等的影响，因此具 有很高的可靠性和稳定性： 哈尔演珲t 入学t 学硕l j 学位论文 ( 2 ) 传感探头结构简单、尺寸小( 其外径和光纤本身等同) ，适合各种埋入或 嵌入等应用场合： ( 3 ) 应用波分、时分或窄分复用技术，可实现多种形式的光纤传感网络； ( 4 ) 波长测量为绝对测黾，无需重复标定或凹零； ( 5 ) 光栅的写入工艺已较成熟，便于商品化。 基于这些优点光纤光栅传感器得到了极为广泛的应用。人们在研究各种 f b g 传感器的同时，也对f b g 的信号解调技术进行了大量的工作| 5 - 引。与其它 光纤传感器相比，光纤b r a g g 光栅传感器属于波长调制型传感器，由其测得待 测物理量的变化更容易一些，其传感过程是通过外界参量对b r a g g 中心波长的 调制来实现的，当传感器受应变，温度等外界参量作用时，布拉格波长会发生 相应的漂移，根据波长漂移量与待测量之间的线性关系即可获得待测物理量的 变化。 1 2 2f b g 传感器技术的发展及应用现状 j 下在研究的光纤光栅传感解调方法有许多，但是能够实际应用的解调产品 并不多，而且价格昂贵。美国的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f l j 新推出的f b g s l i 采用可调谐窄带激光扫描方法，其动 态范围 3 0 n m ，分辨率为l p m ，测量精度5 p r o ，扫描速度1 0 0 h z ，可以同时对四 路光纤多达2 5 6 个布拉格光栅进行查询，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7 k h z ，并称最高可达3 m 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 n a 准备完成的d g d s 的原型机，号称可以同时测量四根八米 光纤上的3 0 0 0 个布拉格光栅传感器，报价为十力美元，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。 自1 9 8 9 年m o r e y 首次报道将光纤光栅用作传感以来，光纤光栅传感技术在 世界范围内受到了广泛的蕈视，光纤光栅传感技术发展十分迅速。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、采矿业等多个领域获得了研究和应用。 以下是国外光纤光栅传感技术应用的实例1 7 9 1 ： ( 1 ) 在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 n 会尔演_ f 【l l - 1 人7 t 彳形! f # 位论文 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景1 9 9 3 年建成通车的加拿大b e d d i n g t o n 喇l 大桥的应 力，对桥梁结构进行长期监测，这在以前认为是不可能的： ( 2 ) 在航空航天业的研究和应用方面，美国国家航空和宇宙航行局在航天飞 机x 2 3 3 上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感网络，对航天飞机进行实时的 健康监测： ( 3 ) 在石化工业方面的研究和应用方面，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，如果有碳氧化合物的渗漏，聚合 物就会膨胀，光纤产生应变，光栅反射的靠拉格波长发生漂移，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： ( 4 ) 在核工业方面，同本核能研究院1 9 9 4 年4 月2 0 0 0 年3 月的年度报告中 提到，他们难在测试反应堆，通过辐射环境测试确保光纤光栅用于核电厂设备 和管道的传感，并能在几乎整个反应堆寿命期f n j 忍耐核辐射： ( 5 ) 在医学方面，巴西的w e h r l e 等人用弹性胶带将光纤光栅应变传感器固 定在病人的胸部，通过胸部的变化测量呼吸过程的频谱等； 我国在7 0 年代术就丌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”1 2 1 ，如清华大学、南开大学、 哈尔滨工业大学、电子科技大学、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，我国的研究水平还有不小的差距，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剑普及。 近年来，我幽在光纤光栅传感技术的应用及研究方面也取得了长足的进展。 哈尔滨工业大学研制丌发出针对结构表面检测的两种光纤光栅应变传感器和两 种光纤光栅温度传感器，分别申报了国家实用新型专利，并于2 0 0 3 年4 月将光 纤光栅应用于松花江斜拉桥，监测桥梁和索塔的温度场及其变化、把握桥梁的 实际应力状态并评价桥梁的运行安全状况：2 0 0 3 年1 2 月8 同，上海紫珊光电技 术有限公司宣布其光纤光栅传感器成功应用于上海卢浦大桥。卢浦大桥于2 0 0 3 年6 月建设完工，上海紫珊光电技术有限公司与同济大学合作，将自主研发的 光纤光栅传感器应用于大桥的动态应变测量，获得了准确可靠的数据：2 0 0 2 年 广东从化良口大桥采用f b g 对预应力梁中预应力钢绞线的变形监测，探索了 f b g 在实际工程中的测试方法，并对测量中各种因素的影响进行分析；山西汾 哈尔演理t 人学t 学硕l 。学位论文 河大桥采用光纤光栅监测系统为该桥进行长期健康监测；大庆供热管道利用光 纤光栅温度传感器为其稳定性的运行提供可靠的监测系统；山西西龙池抽水蓄 能电站主体工程的钢衍管监测等。这些监测中都用到了光纤b r a g g 光栅传感器 的解调系统。 1 3 f b g 传感器技术的研究方向及技术难点 由于光纤光栅传感器具有传感信号对波长绝对编码、抗电磁干扰等优点， 因此具有广泛的应用f i 玎景。目前，对光纤光栅传感器的研究主要有几个方面： ( 1 ) 对高灵敏度、高分辨力传感器的研究： ( 2 ) 对光纤光栅反射信号和透射信号分析和测试系统的研究，目标是开发低 成本、小型化、可靠及灵敏的探测技术； ( 3 ) 光纤光栅传感实用技术的研究，包括： 1 ) 光纤光栅的封装技术、温度补偿技术 2 ) 光纤光栅的传感复用技术 目前，单点和单参数的传感显然已经不能满足人们的要求，大规模、长距 离及分布式的传感技术已成为研究热点。在设计光纤光栅传感系统时，应该尽 量做到：仅仅通过一两根光纤就能尽可能多的寻址传感器；最有效的利用光能 量；减少串音：保证每个传感器的性能等。由于光纤光栅可以灵活的串并联， 并且能够分别对压力、温度、和振动等多种参量实时监测。因此，可以借鉴光 复用技术，将波分复用( w d m ) 、时分复用( t d m ) 和空分复用( s d m ) 技术与先进 的信号处理机制及无线传输技术等技术结合起来，构建多维( 线阵、面阵、体阵 等) 智能型传感系统，应用于大型结构的健康监测当中。 3 1 光纤光栅传感信号解调技术 光纤光栅传感解调系统可以准确迅速地测量出光纤光栅的波长的漂移量， 从而解调出被测物理量，它是精密测量得以实现的重要保证。目前。开发出高 精度、高分辨力、高灵敏度和低成本的光纤光栅信号解调系统是光纤光栅传感 器实用化的关键技术。 虽然光纤光栅传感器具有很多优点，但是目前一些实用技术还不成熟，影 响了光纤光栅传感器从实验室走向实际应用。另外，偏高的市场价格也影响了 其在国内的应用，还有待从原理、原材料和制作工艺等方面入手，降低生产成 本，研制出适合中幽传感器市场的优质低价光纤光栅传感器。 哈；j ：演理t 人学t 学硕i 学位论文 1 4 课题的意义及主要研究内容 1 4 1 课题的意义 近年来f b g 传感器被证实能对多种物理参数进行测量，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，因此，开展f b g 传感解调技术研究具有十分重要的意义。 迄今为止，要研制出实用化的传感系统，实现高精度的波长移位的监测就 成为一个关键问题。人们在这方面也做了很多的研究提出了很多解调方案。各 种解调方案的优缺点将在第二章详细介绍。综合比较各种解调方案的优缺点选 用可调谐光纤f a b r y p e r o t ( f p ) 滤波法这一解调方案是非常有意义的”。这一方 案可以做的体积小，轻巧灵便，适合于便携式的波长检测仪，可以完成绝对测 量和相对测量，也可以用于动念和静态测量，本课题选用这一解调方案。 利用可调谐光纤f p 滤波法对传感信号的解调通常又分为两个部分：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，提取外界信息并以人们熟悉的方式显示出来。 因此对于解调过程中的电参量的信号处理的研究具有一定的意义。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偏移量的问 题。 这种方法是目6 仃正在推广的一种方法它用一个可调谐滤波器来扫描跟踪 光栅的反射谱，输出为f b g 和可调谐滤波器频谱的卷积，当滤波器的波长与 f b g 的反射波长重合时，这时探测器能探测到最大光强。因此，可以检测探测 器的峰值光强，其对应的可调滤波器的腔长变化对应着f b g 的波长移动量，这 种方法叫峰值检测法( c p d 法) ，但是有一点，采集的数据经过滤波后，再对 数据进行峰值的搜索得到极大值点的位置，在实际情况下，波形会因为系统中 光学器件性能的非理想素的影响和光电转换后相关后续处理的作用会出现畸 变，波形会失真，不再是理想的高斯波形”置m 1 ，这样如果再用原始的峰值检测法 会产生很大的误差，针对这种情况，采用各种拟合方法7 憎1 进行光谱重构来减 小解调的误差提高解调的精度是非常有意义的。 为了满足实际中对于设备小型化、低成本、实用化的需求的同时，特别是 对于光信号转换为电信号之后的处理，研究人员在硬件实现方面提出了多种解 哈尔演理t 人学t 学倾i 。学位论文 调方案幢0 2 3 ： 1 4 1 1 采用单片机技术来实现信号解调 基于单片机技术的光纤光栅传感信号解调系统如图1 1 所示： 逝圃 咬抖卜 i 篓螂 含丽p 佩 器7 图1 1 基丁单片机技术的光纤光栅传感信号解调系统图 f i g 卜ld i a g r a mo ff b gs e n s i n gd e m o d u l a t i o ns y s t e mb a s e do ns c m 用单个单片机来控制光纤光栅解调系统不但降低了设备成本，而且大大减 小了设备的体积，从一定程度上加速了光纤光栅传感器的应用。但是由于光纤 光栅传感系统网络化、大范围、准分布式测量的要求，同时，f b g 解调动态响 应的问题，单片机的速度无法有效的达到和解决，再加上运算能力较差，尚不 能满足同时进行信号解调算法和复杂逻辑控制，人机接口及跟上位机进行通信 的诸多功能。另外，汇编语占难以胜任大数掘的处理和复杂的数学计算，而且， 程序可读性和可移植性也比较差。虽然可以采用c 语言编程，但由于单片机的 计算速度和数据存储能力要远低于p c 机，故也无法大量改进系统的性能。所以 本解调系统硬件实现上不采用这一解调方案。 1 4 1 2 采用a r m 技术来实现信号解调 基于a r m 技术的光纤光栅传感信号解调系统如图1 2 所示。 作为嵌入式技术的一个重要分支，a r m 技术发展迅速，a r m 处理器上集 成了r o m ，r a m 等存储控制器，还有各种总线接口，而单片机必须进行外扩。 与单片机相比，其控制功能更强大，但是不能完成繁重的数学运算和复杂的数 学算法。因此，本课题也不选用这种解调方案。 固醚p 马一 十 哆 哈尔演删t 人学t 学硕i 学位论支 一一 耦合器f b g lf b g 2 f b g n 陋塑r 一l 卜_ + 卜卅忙 一 l 腔：。_ z ! r i 光电转换l 图1 2 基丁a r m 技术的光纤光栅传感信号解调系统图 f i g 1 - 2d i a g r a mo ff b gs e n s i n gd e m o d u l a t i o ns y s t e mb a s e do na r m 1 4 1 3 采用d s p 技术来实现信号解调 基于d s p 技术的光纤光栅传感信号解调系统如图1 3 所示： 图i 3 基丁d s p 技术的光纤光栅传感信号解调系统l 整i f i g 1 3d i a g r a mo ff b gs e n s i n gd e m o d u l a t i o ns y s t e mb a s e do nd s p 采用d s p 技术来实现光纤光栅解调系统与单片机和a r m 相比，d s p 有较 7 哈尔演胖t 人# t 学硕l 学位论史 高的集成度，更快的c p u ，更大容鼍的存储器，内置有f i f o 缓冲器，提供高 速同步并口，采用改进的哈佛总线结构，具有独立的程序和数据空间，允许同 时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使d s p 器件 具有高速的数据运算能力，这就很好的解决了单片机、a r m 数值运算能力不足 的问题。从解调图中可以看出，通过d s p 处理器对得到的数字量进行曲线拟合 运算，找出与其对应的其体物理量。对于曲线拟合算法来说，要得到较高的精 度都必须进行大量的运算，在实时性要求高的场合，d s p 以其高速的运算能力 和极强的数掘处理能力成为首选器件。 综上所述，利用可调谐光纤f p 滤波器作为滤波器件，硬件实现上采用d s p 来进行光纤光栅传感信号的分析与处理对于本课题束讲是非常有意义的。 1 4 2 课题的主要研究内容 本论文重点研究光纤布拉格光栅波长解调技术，侧重于曲线拟合算法的研 究和解调系统的电信号处理部分的分析和处理。研究内容如下： ( 1 ) 分析研究光纤布拉格光栅解调的多种解调方案； ( 2 ) 针对在实际情况中，波形会因为系统中光学器件性能的非理想因素的影 响和光电转换后相关后续处理的作用会出现畸变，波形会失真，如果采用传统 的峰值检测法、高斯拟合法会产生较大的误差，提出采用径向基函数网络 f r b f n ：r a d i a l b a s i sf u n c t i o nn e t w o r k ) 来进行光谱重构，比较各种拟合方法，通 过比较验证使用r b f n 能够得到较小的解调误差： ( 3 ) 根掘实际情况和算法的具体要求，完成f b g 传感信号解调系统的硬件 设计； ( 4 ) 在硬件设计的基础上，用c 和汇编混合编程完成f b g 传感信号解调系 统的软件设计： ( 5 ) 设计上位p c 机与d s p 的软件系统。两者之间通过串口进行通信，用 c 抖b u i l d e r 编制上位机程序，通过串口通讯来控制d s p 的动作，用d s p 实现 的复杂算法能够通过p c 机展现给用户，提供给用户一个友好的可视化界面，实 现数据的可视化输出，数据的存储和查询的功能。 哈尔演理t 人学t 学硕f j 学位论文 第2 章f b g 传感器信号的解调原理 绪论部分介绍了光纤光栅传感器的发展及应用现状，提出了进行实时地、 高精度地波长检测的重要性。本章分析比较了目前采用的解调技术的优缺点。 在分析l j i 人提出的解调算法：= ! 。拍：基础上，本章提出采用径向基函数网络进行光谱 重构的方法，并从理论和m a t l a b 仿真两方面进行了分析。 2 1f b g 传感的基本原理及主要特征指标 2 1 1f b g 传感的基本原理 光纤布拉格光栅传感的基本原理如图2 1 所示。 图2 一lf b g 传感原理 f i g 2 - 1p r i n c i p l eo ff b g s e n s o r 光纤光栅的b r a g g 波长( 峰值波长) ，或者说是光纤光栅的谐振条件，可以写 成1 2 屯2 引： aj | ! = 2 n 。人 ( 2 - 1 ) 式中：人为光栅的周期：，? ，厅为纤芯的有效折射率。当宽谱光源入射到光纤光 n 合：j ：浮j 掣i 人。y t 。埘! 卜学f ? 论史 栅后，反射光谱是一个只包含b r a g g 波长附近分量的窄带信号，而透射光谱则 是一个不包含b r a g g 波长分量的宽带信号。反射光信号的带宽和许多因素有关， 这些因素中最主要的是光栅的长度。在绝大多数应用中，反射光信号的带宽为 o 2 0 3 n m 。 当光栅的应变或者温度发生改变时，光栅的有效折射率刀。盯和光栅周期人会 改变。根据式( 2 1 ) ，光栅的布拉格波长也会改变： 从月= 2 f a 鲁+ 筹p + 2 f a 鲁+ 等 丁 c 2 国 式( 2 2 ) 中第一项表示光纤轴向应变所致的波长漂移，是由于光栅周期的改变和 弹光效应引起的折射率改变而产生的。应变所致的波长漂移可以写成【2 引： 五拧= 旯占( 1 一p 。) s( 2 - 3 ) 式( 2 3 ) 中：p ，是弹光系数，定义为： 门。 p。=一v(1+pp l p l 2p l1 2 ) 】 ( 2 4 ) 。2 _ 一氓l + 1 2 ) ju q j 式( 2 4 ) 中：p 。和p 。：是弹光张量中的分量：v 是泊松系数。对于通常的掺锗光纤， p l l = o 1 1 3 ，p 1 2 = 0 2 5 2 ，v = o 1 6 ，门明= 1 4 8 2 ，对于b r a g g 波长为1 5 5 0 n m 附近 的光栅，1 个微应变( 肛) 将引起1 2 p m 的波长变化。 式( 2 2 ) 中的第二项表示温度所致的波长变化，是由于热膨胀引起的光栅周 期和折射率的改变而产生的。温度所致的波长变化可以写成： a 2 厅= 九( 口 + 口。) a t ( 2 - 5 ) 式( 2 5 ) 中：口表示光纤的热膨胀系数，对于石英光纤，约为0 5 5 x1 0 6 ；口。表 示热光系数，对于掺锗的石英光纤，约为8 6 1 0 6 。很明显，后者是引起波长 变化的主要因素。由公式( 2 5 ) ，对于波长为1 5 5 0 n m 的光栅，温度变化l 。c 引起 的波长变化为1 3 7 p m 。显然不论是应变变化还是温度变化，都将引起光栅b r a g g 波长的变化。 2 1 2f b g 传感器的主要特征指标 光纤b r a g g 光栅用作传感测量时，有一些特征指标是通用的，几乎针对所 有应用：另外也有一些指标可能针对特殊的应用。下面列出的主要是针对应变 和温度传感测量的一些f b g 的技术指标1 2 9 驯。 2 1 2 1 传感器的波长 哈尔演理t 人学t 学硕f 学位论文 传感器波长指的就是f b g 反射谱中的尖峰的中心波长，峰值波长随着应变 或温度的改变而改变。如图2 2 所示，如果一个峰值波长为1 5 3 1 5 8 n m 的传感 器从3 5 。c 加热到4 5 。c ，传感器的峰值波长将增加到1 5 3 1 5 9 3 7 n m ( 温a 度变化l o c 引起的波长变化为1 3 7 p m ) 。大多数f b g 波长解调系统工作在5 0 n m 窗口范围 内，从1 5 2 0 n m 到1 5 7 0 n m 。 = 兰 o c e w a v e l e n g t w n m 图2 2 波长位移图 f i g 2 2d i s p l a c e m e n to fw a v e l e n g t h 2 1 2 2 传感器的带宽 传感器的带宽就是每个f b g 反射峰所对应的带宽。理论上f b g 的带宽越 小测量精度越高，但从实际的制作工艺水平和可行的精度来看，最合理的值应 该在0 2 n m 和0 3 r i m 之i 日j ，通常取0 2 5 n m 。此外一般的解调设备的峰值检测法 通常是在假设带宽为0 2 5 n m 和谱形为光滑的高斯型的基础上设计出来的，带宽 过宽会降低波长测鼍的准确性。 2 1 2 3 反射率 光纤光栅的反射率越高，返回到测量系统的光功率就越大，相应的测量距 离就越长。而且反射率越高，带宽较窄，光栅越稳定。如果反射率越小，噪声 对波长测量精度的影响就越大，对于波长解调的精度就越高。为了获得最好的 性能，光栅反射率应该 9 0 。但是，单纯的强调高反射率的同时，也要同时考 虑边模抑制比。也可以说，反射率决定信号的强度，边模抑制比决定了信噪比。 2 1 2 4 传感波长间隔 传感波长间隔就是两个f b g 中心波长的差。f b g 传感阵列包含了大量传感 光栅，因此必须保证能够寻址每一个光栅，即根据独立变化的中心波长确认每 一个光栅。为此，要求每个通道内各个光栅的中心波长 ，如，厶，以及其工 哈尔演理t 人学t 学硕t 。学位论文 作范围 ，五：，丑9 olo*o o a a 。互不重叠，如图2 3 所示。所以其中有两个方面需 要考虑：传感光栅之i 日j 的缓冲区和每个传感光栅的探测范围五。而探测范围旯 是由测量范围决定的，测量范围越大，探测范围就越大。 图2 3 传感器波k 间隔 f i g 2 - 3s e n s o rw a v e l e n g t hi n t e r v a l 2 1 2 5 波长缓冲区 两个相邻传感光栅之间必须留有一个缓冲区以保证第一个光栅的最大波长 与第二个光栅的最小波长小相交。通常，f b g 制造过程中总存在着一些制造误 差，这个误差必须被j 3 h 至i 缓冲区中以确保设计出合适的i 日j 隔。此外，当f b g 传 感器用于应力测量时，应考虑不同位置的环境温度对各个f b g 中心波长的产生 的变化差，这个影响也应该加到缓冲区中确保更加合理的间隔。 2 2f b g 传感器常用的解调技术 对于一个光纤光栅传感系统，为了能够精确的检测应变或者温度的变化， 我们需要检测由被测最引起的b r a g g 波长的微小漂移。目前许多方法可用于光 纤光栅的波长检测。 2 2 1 光谱仪检测法 对光纤光栅传感器的波长变化最直接的检测方法就是用光谱仪( 或单色议) 检测输出光的a 2 日，如图2 - 4 所示。 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，无法满足要求。虽然高分辨率的光 知名兰13母鼍 n 台：j 声删ij 、学t # f - 6i 。f _ ；：，论文= 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 l 匪困 图2 4 光谱仪检测光纤光栅波k 示意图 f i g 2 4s c h e m e t i co fw a v e l e n g t hd e t e c t i o nw i t hs p e c t r u md e v i c e 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，这对于测最结果的纪录、存储和显示以及给控制 回路提供必要的电信号，要达到工业生产过程自动控制的目的都是无法实现的。 2 2 2 匹配光栅法 此法是用一个与传感光栅相匹配的接收光栅去跟踪传感光栅的波长变化， 进行匹配滤波，由两个光栅相匹配时接收光栅的波长去推知传感光栅的波长。 耦合器1 f b g 图2 。5 匹配光栅滤波法解调示意图 f i g 2 5s c h e m e t i co fw a v e l e n g t hd e t e c t i o nw i t hm a t c h i n gg r a t i n gf i l t e rm e t h o d 哈尔演胖t 人学t 学硕卜学化论文 解调工作原理。如图2 5 所示。 主要是将参考f b g 粘贴于p z t 压电陶瓷上，由加于p z t 陶瓷上的扫描电 压控制。当处于自由念时，参考f b g 与传感f b g 的峰值反射波长相同，因此 光电探测器的输出信号幅值最大。此时控制扫描电压信号发生器使其输出电压 为零电平：当传感f b g 冈温度或应变而发生峰值反射波长变化时，参考f b g 与传感f b g 的峰值反射波长4 i 匹配。光电探测器的输出信号幅值下降，此时通 过伺服控制系统，进而给p z t 压电陶瓷施加一个扫描电压，使之发生形变，这 样，参考f b g 的峰值反射波长也随之发生变化，当两个f b g 的峰值反射波长 相匹配时，光电探测器的输出信号达到最大，此时扫描电压就对应于一定的温 度或者应变。 匹配光栅法的优点是结构简单，而且对最终检测的反射光强无绝对要求， 所以各类强度噪声都不会对输出结果有影响。但这种方法也有不足之处：其一， 要求两个光栅严格匹配：其二，受参考光栅应变量的限制，传感光栅的测量范 围不能太大：其三，由于p z t 的响应速度有限，使这种方法只使用于测量静态 低频变化的物理量，对于声震动等频率较高的物理量，贝i 。p 力有限。 2 2 3 非平衡m z 干涉解调法 1 9 9 2 年，由a d k e r s e y 等人提出的非平衡m z 干涉解调法b 引，由于采用 干涉法来检测波长的移f 节，具有极高的检测灵敏度，国外许多研究人员都对这 种方法进行了研究。 这种方法特别适合于高分辨率动念应变传感信号检测。其原理如图2 - 6 所 示，宽带光源发出的光经过耦合器入射到传感光栅上，被反射后送到m - z 干涉 仪，通过非平衡m z 干涉仪把b r a g g 波长漂移转化为相位变化。当输入光波长 变化旯。时，输出相位变化为： 中( 五) = 2 n n d a 2 8 2 ( 2 - 6 ) 通过检测见r 的值可知应变的大小从而探知振动信号。 该装置可以用来进行动念应变传感。实验中通过反馈控制压电陶瓷拉伸干 涉仪的一臂，使得相差保持在9 0 度，利用这种方法可以构成时分复用分布式传 感系统，结果表明陔装置具有低于纳级应变的传感分辨率，1 0 h z 时为2 n e , h z ， 5 0 0 h z 时为0 6 n e 厄。 该装冒虽然z f j 匕t - 够提供宽带宽、高解析度的解调能力，但随机相位使得该方 法局限于测量动态应变，一i 适于对绝对应变的测量，且干涉仪相位变化2 万决定 哈尔演理t 人学t 学形 卜学位论文 其测量范围非常有限，并出现绝对波长测量的损耗。 图2 - 61 卜平衡m z 干涉仪解调系统图 f i g 2 - 6d i a g r a mo fu n b a l a n c