（控制科学与工程专业论文）基于fpga与dsp的光纤光栅解调系统研究.pdf

f y 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研矧矧：牡嗍型型 学位论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编 本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库 使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生( 签名) ：迸址导师( 签名) ： i 厂 日期：翌! ! ：塑 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着光纤光栅传感的使用越来越广泛，在实际应用中所遇到的问题也越来 越多，实际工程对光纤光栅的解调技术要求也越来越高，以往的解调技术已很 难跟上实际需求，同时，随着嵌入式技术、计算机技术和网络技术的发展，使 得光纤光栅传感解调技术有了很大的进步，而具有更稳定的性能和更强大的功 能，以及适用于大型和复杂的结果监测，是未来的研究和发展方向，设计开发 一种实时大容量光纤传感解调系统成为当前的迫切需要。在这样的背景条件之 下，本文深入研究了光纤光栅传感原理与技术，设计并实现了基于f p g a 与d s p 的实时光纤光栅传感解调系统。论文主要完成了以下工作： ( 1 ) 在分析现有典型光纤传感解调方案的基础上，结合光纤光栅传感复用 技术采用了一种基于f p g a 与d s p 的光纤光栅传感解调方案，实验结果表明，采 用可调谐窄带光源的基于f p g a 与d s p 的光纤传感解调方案与传统方案相比，具 有较高的系统容量和信噪比。 ( 2 ) 研究了光纤f p 滤波器的工作原理、特性与技术指标。在压电陶瓷的 驱动电压作用之下，法布里腔的腔长将发生相应变化，在变化的腔长作用下， 透射波长也会发生相应变化，经过实验验证可知，技术指标能够满足光纤传感 系统要求。 ( 3 ) 对基于f p g a 与d s p 的光纤光栅传感解调系统进行了研究与设计。采 用f p g a 配合高速d s p 芯片来代替传统的微控制器进行光栅信号的检测与计算。 利用f p g a 来实现高速实时并行光纤光栅的信号检测，采用高速d s p 芯片进行系 统波长的运算。该系统具有高速的实时处理能力，并可提供丰富的接口类型， 满足实时以太网通信的应用需要。由于采用可调谐窄带激光光源及高精度检测 电路，该系统具有较高的运算速度和精度，将信号的高速运算和数据传输有机 结合在一起使得真个系统的性能得到了较大的提高与完善。 关键词：光纤光栅传感解调系统，可调法布里一珀罗滤波器，f p g a ，d s p 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i mt h eu s eo ff i b e rg r a t i n g 嘣l s o rm o r ea n dm o r e 、航d e l y ，i nt h ea c t u a l a p p l i c a t i o n , w ew i l le n c o u n t e rm o r ea n dm o r ep r o b l e m , t h ea c t u a le n g i n e e r i n go n f i b e rg r a t i n gd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t si sa l s om o r ea n dm o r es i g n i f i c a n t p r e v i o u sd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nd i f f i c u l tt ok e 印u pw i t ht h ea c t u a ln e e d s a tt h es a m et i m e ，、7 l ，i t l lt h ed e v e l o p m e n t so ft h ee m b e d d e dt e c h n o l o g ya n di n t e r a c t t e c h n o l o g y ，m a k ef b g s e n s o rd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sm a d e g r e a tp r o g r e s s ，a n d w i t hm o r es t a b l ep e r f o r m a n c ea n dm o r ep o w e r f u lf u n c t i o n s ，a n ds u i t a b l ef o rl a r g ea n d c o m p l e xr e s u l t sm o n i t o r i n g ，i st h ef u t u r ed i r e c t i o no ft h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t d e s i g na n dd e v e l o par e a l t i m eh i 曲一c a p a c i t yo p t i c a lf i b e rs e n s o rd e m o d u l a t i o n s y s t e mb e c o m et h ec u r r e n to fu r g e n tn e e d i nt h i sb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rf u r t h e r s t u d i e su n d e rt h ec o n d i t i o n st h ef i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o rp r i n c i p l ea n dt e c h n o l o g y ， d e s i g na n dr e a l i z e db a s e do nf p g aa n dd s pr e a l - t i m ef b gs e n s o rd e m o d u l a t i o n s y s t e m t h e s i sm a i u l yc o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gj o b ： ( 1 ) i nt h ea n a l y s i so fe x i s t i n gt y p i c a lo p t i c a lf i b e rs e n s i n gd e m o d u l a t i o ns c h e m e i nt h ef o u n d a t i o n , t h eu n i o nf b gs e n s i n gm u l t i p l e x i n gt e c h n i q u ei sp r o p o s e db a s e d o nf p g aa n dd s pf b gs e n s o rd e m o d u l a t i o ns c h e m e ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h et u n a b l en a r r o w b a n ds o u r c eb a s e do nf p g aa n dd s po p t i c a lf i b e r s e n s i n g d e m o d u l a t i o ns c h e m e ，c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ls c h e m eh a sh i g h e rs y s t e mc a p a c i t y a n ds i g n a l - t o n o i s er a t i o ( 2 ) o p t i c a lf - pf i b e r f i l t e r w o r k i n gp r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i c s a n dt e c h n i c a l i n d e x e s i nt h er o l eo fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i cd r i v i n gv o l t a g e ，f a b r i z i oc a v i t yu n d e rt h e c a v i t yl e n g t hw i l lo c c u ri nt h ec o r r e s p o n d i n gc h a n g e ，c h a n g eu n d e rt h ea c t i o no f c a v i t yl e n g t h ，t r a n s m i s s i o nw a v e l e n g t hw i l la l s op r o d u c e sc o r r e s p o n d i n gc h a n g e ， e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt e c h n i c a li n d i c a t o r sc a ns a t i s f yt h eo p t i c a lf i b e r s e n s i n gs y s t e mr e q u i r e m e n t s ( 3 ) b a s e do nf p g aa n dd s pf b gs e n s o rd e m o d u l a t i o ns y s t e mr e s e a r c ha n d d e s i g n w i t hh i g h - s p e e dd s pb a s e do nf p g ai n s t e a do ft r a d i t i o n a lm i c r oc o n t r o l l e r p r o c e e dg r a t i n gs i g n a ld e t e c t i o na n dc a l c u l a t e d u s i n gt h ef p g a t or e a l i z er e a l - t i m e 一 垫堡望王盔兰堡主堂垡笙壅 一一 _ _ _ l - - 一一 p a r a l l e lh i g h - s p e e df i b e rg r a t i n g ，t h es i g n a ld e t e c t i o ns y s t e mu s i n gh i # - s p e e dd s p c h i pw a v e l e n g t hc o m p u t a t i o n t h es y s t e mw i t hh i g h - s p e e d r e a l - t i m ep r o c e s s m g p o w e r ，a n dc f l np r o v i d ea b u n d a n ti n t e r f a c et y p e ，m e e tt h ea p p l i c a t i o no fr e a l 。t i m e e t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nn e e d s d u et ot h et u n a b l el a s e rs o u r c ea n dh i g h - p r e c i s i o n d e t e c t i n gn a r r o w - b a n dc i r c u i t ，t h i ss y s t e mh a st h el l i g l ls p e e da n dp r e c i s i o n , w i l l s i g n a lh i g hs p e e dc o m p u t i n ga n dd a t at r a n s m i s s i o ni nc o m b i n a t i o nm a k e s t h ew h o l e s y s t e mp e r f o r m a n c ei m p r o v e d t oi m p r o v i n ga n dp e r f e c t i n g k e y w o r d s ：f i b e rg r a t i n gs e n s o rd e m o d u l a t i o ns y s t e m ，t u n a b l ef - pf i l t e r ， f p g a ，d s p 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论。1 1 1 弓l 言1 1 2 光纤传感的基本原理与分类2 1 3 光纤光栅传感器原理3 1 3 1 光纤光栅传感器工作原理。3 1 3 2 光纤光栅温度传感原理。4 1 3 3 光纤光栅应变传感原理5 1 4 光纤光栅传感器实用化关键技术5 1 4 1 光纤光栅制作技术5 1 4 2 光纤光栅传感器解调技术6 1 5 光纤传感技术的应用现状7 第2 章光纤光栅传感解调与复用技术一8 2 1 光纤光栅传感解调方法8 2 1 1 宽带光源宽带滤波接收方案8 2 1 1 1 光谱仪法8 2 1 1 2 边缘滤波检测法9 2 1 2 宽带光源= 于涉接收方案9 2 1 2 1 非平衡m - z 干涉解调法l o 2 1 2 2 非平衡迈克尔逊干涉解调法1 0 2 1 3 宽带光源可调窄带接收方案1 l 2 1 3 1 可调f p 滤波检测法1 1 2 1 3 2 可调匹配光栅滤波检测法1 3 2 1 4 窄带光源宽带接收方案1 4 2 1 4 1 可调谐窄带光源解调1 4 2 1 4 2 分布式激光传感解调1 5 2 1 5 本论文采用的解调方法1 6 2 2 光纤传感复用1 7 2 2 1 光纤传感的波分复用1 7 i v 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 时分复用技术2 0 2 2 3 空分复用技术。2 3 2 2 4 混合复用传感网络2 4 第3 章基于f p g a 与d s p 的光纤光栅传感解调系统2 8 3 1 解调系统总体设计方案2 8 3 2 光电转换电路2 9 3 3 光电信号高速同步检测3 0 3 4d s p 模块3 4 3 4 1d s p 概述。3 4 3 4 2t m s 3 2 0 c 6 4 5 5 芯片简介3 5 3 4 3d s p 电路设计3 7 3 4 3 1 时钟电路的设计3 8 3 4 3 2 电源电路的设计3 9 3 4 3 。3d s p 存储系统的扩展。4 0 3 4 3 4d s p 与f p g a 接口电路的设计。4 2 3 4 4d s p 对数据的处理4 2 3 5 数据的传输4 4 第4 章软件设计以及处理结果分析4 6 4 1f p g a 内部逻辑设计4 6 4 1 1f p g a 工作流程4 6 4 1 2 采集模块程序的编写4 7 4 2d s p 程序设计4 9 4 3 实验所得结果4 9 第5 章总结与展望。5 1 5 1 总结5l 5 2 展望5 2 参考文献5 3 驾c谢。5 5 附录：攻读硕士学位期间发表论文目录5 6 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 自上世纪七十年代以来，光纤通信技术得到了广泛的重视以及快速的发展， 与之共同发展的还有光纤传感技术，光纤传感技术是一种新兴的传感技术，它 以光波作为载体，光纤作为光的传输介质，对外界被测量信号如温度、压力等 参量进行感知和传输。光纤传感技术作为一门新型的传感技术，具有传输速度 快、信号不容易受外界影响、装置简单方便等很多优点。所以光纤传感技术受 到了越来越广泛的重视，同时，光纤通信技术的迅速发展也带动了光纤传感技 术的巨大进步。 科学家高锟于1 9 6 6 年设想通过提高石英玻璃的纯度、同时使用含有包层材 料的玻璃光学纤维来改进光通信技术，这一设想得到了当时社会科学界的普遍 认同，并为光纤通信技术的发展指明了方向，给后面的光纤通信技术发展带来 了巨大影响。随后不久，美国的康宁公司制作出了第一根对光纤通信具有划时 代意义的低损耗光纤，使得光纤技术应用于通信领域成为了可能，也吸引了越 来越多的企业、科研机构投入到光纤通信技术的发展潮流之中。这一切都为后 来的光纤传感技术打下了良好的技术基础。 自上世纪九十年代开始，光纤光栅传感器就已经是光纤通信领域的无源器 件，它具有反射带宽大。损耗很小、较其它光源抗干扰强很多等许多优点，它 的出现，为光纤通信技术的发展带了了巨大改革。光纤光栅传感器优越的性能， 良好的传导特性，较大的解调范围都是科学家们选择它的原因。1 9 7 8 年，科学 家们发现了光纤具有光敏性，并根据这个原理制作了自感应光栅。1 9 8 9 年， g m e l t z 等人在紫外光侧面写入光敏光栅技术上取得了长足的发展。1 9 9 3 年， k 0 h ill 与p j l e m a i r e 分别提出了相位掩膜成栅技术和低温高压载氢技术， 这两项技术的出现不但使得光纤光栅的制作变得简便，而且减少了制作成本1 。 由于以上两个原因的存在，使得光纤光栅技术更加适合于实际过程的需要，能 更加广泛的应用于现实生活，为光纤光栅的发展铺平了道路。 在光纤光栅传感器中，光波在光纤中传播的时候，它的相位、振幅、补偿 等参量会随着周围环境中温度、压力等因素的变化而变化，我们可以根据它参 武汉理工大学硕士学位论文 量的变化量计算出环境因素的变化量，由于光纤光栅具有传输速度快、不易受 外界其它信号的干扰等优点，所以光纤光栅传感技术得到了广泛的重视和发展。 光纤光栅传感技术现在已经在医疗、电力、石油、航空航天等领域得到了广泛 的应用 2 1 。 光纤光栅传感器的优点毋庸置疑，在以后的发展中，我们要尽量利用光纤 光栅技术的优点来实现成本最低化，利益最大化。但是问题也还是存在的，光 纤光栅传感技术作为一门新兴的技术，它的发展历史也就几十年，技术还远不 成熟，实际工程应用也有很多的难题函待解决。如果要取得进一步的发展，我 们还有以下几个问题需要解决： ( 1 ) 最大限度的利用光纤光栅技术的优势，创造使用价值。 ( 2 ) 加强光纤光栅解调系统的研究，使解调速度更快、解调精度更高。 ( 3 ) 降低光纤光栅传感器及其解调系统的制作成本，提高使用年限。 1 2 光纤传感的基本原理与分类 在光纤光栅传感系统中，光纤光栅传感器用来接收外界信号如电压、温度、 压力、加速度等因素的变化，当外界因素发生变化的时候，通过光纤光栅传感 器的光波的波长、相位、光强等参量会发生相应的改变，参量的变化量跟外界 因素的变化量成线性关系，我们可以用解调系统实现对参量变化量的测量，然 后根据相关的算法对测量结果进行处理，得到现场环境的变化量，这样，我们 就可以实现对外界因素的测量了。前面已经介绍过这种解调方法的优点跟难点 了，现在的关键问题是怎样解决我们所面对的困难。 我们可以根据不同的分类方法把光纤光栅传感器分为不同类型。 根据我们解调的光波参量的不同，既相位、位移、波长、偏振、光强等参 量的不同，以把它分为与之对应的光纤光栅传感器。如光强调制传感器、相位 调制光纤传感器等。 根据所测量的对象的不同，既电压、温度、压力、加速度等外界待测因素 的不同，我们也可以把它分为与之相对应的光纤光栅传感器。如光纤温度传感 器、光纤应变传感器、光纤位移传感器等。 虽然光纤光栅被这样不同的划分，但在实际应用中却没有很明显的界限， 在这些光纤光栅传感系统中，它们的基本原理都是一样的，都是根据光波相关 参量的变化反应外界环境各种因素的变化来实现对待测变量的测量的。总之， 2 武汉理工大学硕士学位论文 只要我们掌握光纤光栅的核心技术，并配合使用其它相关技术，我们就可以自 己研制适用于工程需要的传感器【4 】【5 1 【6 】阴。 1 3 光纤光栅传感器原理 1 3 1 光纤光栅传感器工作原理 布拉格光纤光栅( f b g ) 是利用紫外光照射单模掺锗光纤制作而成的。在 布拉格光纤光栅中，它的纤芯折射率是周期性分布的条纹。我们可以根据下面 的式子来计算出这个周期： a ：l( 卜1 ) 2 s i n ( b 2 ) 上式中的口是两相干光束之间的夹角，丸是紫外光源的波长。在光纤光栅 传感器中，当光波入射到光纤光栅中之后，由于光纤的反射作用，会反射出一 个中心波长与相应光纤光栅传感器相对应的光，其它中心波长的光则无法通过 光纤光栅反射出来，这个过程就相当于一个滤波过程。我们把这种光纤光栅命 名为光纤布拉格光栅，相应的反射条件被称为布拉格条件，如图1 1 中所示。 满足布拉格条件的光波会被光纤布拉格光栅反射出来，正是由于光纤光栅传感 器的这个特性，使得我们可以实现对单一光波的检测，使得光纤光栅传感解调 成为了可能。在图中我们可以看到，宽带光源经过光纤布拉格光栅之后变为窄 带光。 入射光 斗 | p - 一 反射光 光纤光栅 叫人l 卜 透射光 啼 图1 1 光纤b r a g g 光栅反射谱和透射谱 反射光 武汉理工大学硕士学位论文 在光纤b r a g g 光栅中，反射光的中心波长由下面的式子来确定： 如= 2 劭a ( 卜2 ) 式( 1 - 2 ) 中疗毋是光纤纤芯的有效折射率，以为光栅的布拉格波长，a 是光 纤光栅的栅距也就是周期。由上面的公式可以看到，光纤光栅的调制周期a 的 大小以及纤芯的折射率行。矿的大小决定了光纤光栅的反射波长如。刀毋跟人越大， 相对应的反射波长也会越大，反之亦然。所以我们可以通过改变光纤光栅的纤 芯折射率或者光纤光栅的调制周期来改变光纤光栅的的反射波长。而反射波长 的变化是反映光纤光栅的纤芯折射率和光纤光栅的调制周期的变化的。当光纤 布拉格光栅受到外界环境因素的影响时，它的纤芯折射率和光纤光栅的调制周 期就会改变，这样就会导致反射波长的改变，我们可以通过下面的式子计算出 反射波长的移位m r 。 五日= 2 以。帝a - i - 2 丹硝人 ( 1 3 ) 由上面的公式可以看到，我们只要通过解调系统计算出光纤布拉格光栅反 射光中心波长的变化量峨就可以得出外界因素的变化量。光纤光栅传感系统就 是根据上面的基本原理制作而成的，在实际应用中，我们需要精确的测出这个 中心波长变化量如，以便精确的测量现场环境的变化n 们叭m 州埘。 1 3 2 光纤光栅温度传感原理 由前面我们介绍的光纤光栅传感器工作原理我们可以知道，光纤布拉格光 栅的反射光的中心波长会受到光纤光栅的纤芯折射率和光纤光栅的调制周期的 影响，而温度会影响着两个参量，所以我们可以根据中心波长的变化来对周围 环境温度进行测量。在光学上，我们有： 垒：( 口+ 善) r ( 1 - 4 ) 在上式中o f - - 去拦a t 是光纤光栅的热膨胀系数， 孝= 古= 鲁则为光纤 光栅的热光系数。在室温下，对于一般的石英光纤光栅，一般情况下有： 口0 5 5 x 1 0 巧o c f 6 6 7 x 1 0 。o c 由上面的公式我们知道，因为口与善是两个不变的参量，而反射波长我们可 4 武汉理工大学硕士学位论文 以由实验得出，这样的话我们就只需要测量反射光中心波长的变化量就可以得 到温度的变化量了，我们就可以实现对环境温度变化量的测量了。这就是光纤 光栅温度传感原理。 1 3 3 光纤光栅应变传感原理 与光纤光栅温度传感原理类似，光纤布拉格光栅的反射光的中心波长会受 到光纤光栅的纤芯折射率和光纤光栅的调制周期的影响，而光纤光栅受外界应 力的作用会使这两个参量发生改变。这种变化可以由下面的式子给出： 兰字- ：( 1 一只) g ( 1 5 ) 上式中只= i 1n 2 a ( 1 - a ) p ，：一蝎。】是光纤光栅的应变灵敏度系数，其中丑： 和丑。是光纤光栅的弹光系数，s 是光纤光栅的轴向应变、而 则是纤芯材料的 柏松比。 对于石英光纤，我们可以取只为0 2 2 ，那么此时占可表示为： 地 占：生( 卜6 ) 0 7 8 由上面的式子我们可以知道，g 的变化会直接反映在反射光的中心波长变化 量地上，我们可以通过测量酰的大小来计算出外界应力的变化大小嘲1 。 1 4 光纤光栅传感器实用化关键技术 1 4 1 光纤光栅制作技术 k 0 h il l 于1 9 7 8 年使用氩离子激光发光器发出蓝一绿光，测量掺g e 的石英 光纤对它的吸收特性，他在实验中发现，光波经过光纤之后，由光纤光栅反射 出来的光很快就变弱了，但是入射光的反射率在该光纤内反而增加到了百分之 九十以上，他通过这一现象得到了下面的结论：光波进入光纤之后，由于光纤 的反射作用，形成相应的反射光，入射光与反射光同时在光纤内导致了驻波的 产生，驻波的产生可以很好的解释反射光强变弱这一现象，同时，折射率在位 于波峰位置的纤芯区会变大，这就解释了折射率增大这一现象。由实验他还做 武汉理工大学硕士学位论文 了以下定论：折射率增大这种改变是不可逆转的。这种特性我们称之为光纤的 光敏性，从而在光纤芯区形成布拉格光栅，这种光栅的折射率受到光波周期的 影响。第一根布拉格光纤光栅就这样诞生了。但是，因为采用这种方法制作出 来的光纤光栅的布拉格波长只能与写入波长一样，所以没有受到人们的重视。 但是，第一根光纤布拉格光栅的诞生让人们看到了制作光纤布拉格光栅的希望， 为后面光纤布拉格光栅制作技术的改进指明了出路。 1 9 8 1 年，d l a m 等科学家通过做相关的实验发现，在光纤里面，光的折射 率会发生变化，而且他还进一步指出，折射率的改变大小与入射光的光强的二 次方有正比例的关系，这一研究明确的指出了折射率的变化特性，使得以往抽 象的光纤特性有了理论的依据，光纤光栅的制作有了理论的指导。 1 9 8 9 年美国的g m e l t z 等人研究出了双光束全息干涉成栅法，这种方法在 理论上制作出任意间隔的光纤光栅，同时，光纤内部的任何位置都可以用来实 现光栅，对其它的技术要求不是很高，可以研制出适用于工程实际应用的光纤 光栅。同时，这种方法的使用还促进了光纤光栅技术在通信领域的发展以及应 用，使得光纤光栅传感技术引起了科学家们的广泛关注。 1 9 9 3 ，k o h i l l 等人提出了用相位掩膜的方法写入光纤光栅的技术，被称 之为相位掩膜法，这种方法是使用起来最方便、效果最好的一种光纤光栅制作 方法。这种技术的优点是对光源的相干性要求不高，而光纤光栅的制作过程中， 对光源的要求普遍较高，而要实现高质量的光源，往往要很高的制作成本。但 是相位掩膜法不存在这种问题，所以这种方法受到了广泛的使用n 引。 随着科学技术的不断发展，光纤光栅的制作技术也会不断的改进，在不远 的将来，光纤光栅传感技术将会得到广泛的重视。 1 4 2 光纤光栅传感器解调技术 光纤光栅传感系统实用化所面临的最大困难就是光纤光栅信号的解调，而 整个光纤光栅解调系统的关键是如何精确检测布拉格的波长位移。光谱仪检测 法是最简单最直接的解调方法，但是这种解调方法存在很多缺点，如光谱仪价 格昂贵、体积庞大等。在光纤光栅传感系统的发展过程中，人们也提出了很多 实用的解调方法，如可调谐法布里一珀罗腔( f - p 腔) 滤波解调法、匹配光纤光 栅解调法、可调谐窄带光源解调法等，这些解调方法都有各自的优缺点，适用 于不同的解调系统，满足不同的工程需要，在后面的章节中我们将会对解调方 6 武汉理工大学硕士学位论文 法做详细的介绍。 1 5 光纤传感技术的应用现状 光纤光栅传感技术是伴随着光导纤维以及光纤通信技术的发展而发展形成 的崭新技术。因为光纤传感具有灵敏度高、电绝缘性好、抗电磁干扰能力强、 耐腐蚀、安全可靠、可构成光纤传感网络等许多优点，它在石油开采、航天、 航海、核工业、电力传输、科学研究、医疗等众多领域都有非常广阔的应用前 景。光纤传感对仪器仪表和检测技术等行业的推进作用可归纳为以下几点：( 1 ) 使传统产品现代化，利用先进的光电子和光纤传感技术改造传统产品，使它们具 有更先进更优越的性能。( 2 ) 提供更新换代的产品，使其能够更好地满足现场 使用的高要求或者应对新需求。( 3 ) 形成新的技术分支。所以，它对科学技术、 国防建设发展、工农业生产，将会带来非常大的推动作用。 随着我国市场经济的发展，传感器的发展空间和市场需求具有巨大的潜力， 由于目前我国光纤传感器的产业化和应用方面还远不能满足国民经济发展的需 要，因此加快和促进光纤传感器的商品化、产业化进程，无疑是今后光纤传感 发展的主要方向。光纤传感器有很多突出的优点，但同时也存在很多急待解决 的问题( 如光纤传输损耗变化、光纤传感器的输出信号会受到光源波动、探测 器老化等因素的影响、组成光纤传感器各元器件的本身性能的变化对测量精度 的影响等) 。认真研究光纤传感器元器件的性能( 减小光纤传输损耗，有效抑制 光源波动) 。特别是进一步研究改进敏感元件的制作工艺与结构、探索新的敏 感机理，充分发挥微处理技术和计算机的软件功能，补偿和改善光纤传感器的 性能，发展数字化、自动化、集成化、工程化的新型光纤光栅传感器，研制出 满足特殊测量要求的新型光纤传感器和适合网络化应用的光纤传感器阵列的新 型光纤传感器将是我国今后的研究与发展趋势。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章光纤光栅传感解调与复用技术 2 1 光纤光栅传感解调方法 在光纤光栅传感器的解调系统中，由于我们主要通过检测波长位移的变化 来达到检测现场环境( 如压力、温度等) 的变化，所以精确的波长变化检测设 备就显得非常重要。相关的b r a g g 光纤光栅的理论研究和实验结果表明，光纤 布拉格光栅反射光的中心波长的变化量反映的是待测变量的变化，整个光纤光 栅传感系统的检测精度受到b r a g g 中心波长测量精度的直接影响，所以在光纤 光栅传感解调系统中，如何精确的检测出光纤布拉格光栅反射光的中心波长的 位移量的大小就显得非常关键。经过专家学者们的努力，人们已经掌握了很多 种检测方案。我们可以把这些方案概括起来分为四个大类：宽带光源宽带滤波 技术、宽带光源可调窄带接收、宽带光源干涉接收以及可调谐窄带光源窄带 接收。这四个大类的划分只是个大致的分类，在这四个大类里面，又可以对它 进行细分，具体的解调方法我们在下面会详细介绍。 2 1 1 宽带光源宽带滤波接收方案 2 1 1 1 光谱仪法 图2 1 光谱仪检测法原理图 图2 1 所示是光谱仪检测法的原理图，从图中可以看到，宽带光源经过耦 合器入射至光纤光栅并经过传感光栅的反射，前面已经介绍过，宽带光源经过 光纤光栅的反射之后会变为窄带光，是单一中心波长的窄带光，这个窄带光经 8 武汉理工大学硕士学位论文 过图中所示的定向耦合器之后入射到光谱仪，因为光谱仪内部有c c d 探测器， 所以能够检测不同波长的光强分布，当经过光纤光栅之后的反射光的波长发生 变化的时候，c c d 探测器会检测到相关的变化，从而会显示出光强分布的变化。 由此可以通过光强分布的变化来计算出相应的波长偏移量。光谱仪检测法的基 本原理大致如此，我们可以看到，这种解调方法的优点是结构简单，使用起来 非常方便。缺点是光谱仪的分辨率非常有限，所以检测精度很低，对某些要求 较高的场合，往往不会使用这种检测方法，而使用解调精度更高，成本相对较 低的解调方法汹儿2 阳。 2 1 1 2 边缘滤波检测法 图2 2 边缘滤波检测法原理图 由光学知识我们知道，在一定的波长范围之内，耦合器的效率跟波长大致 呈线性关系，这是波分耦合器的基本特性，我们可以把这种特性应用于测量波 长的变化，由这一原理而产生出来的解调方法我们称之为边缘滤波检测法，它 的原理图如图2 2 所示。在这种检测方法中，经过传感光栅的反射光再经定向 耦合器入射到波分耦合器中，由波分耦合器的特性我们可以知道，我们可以根 据它的这种特性来测量波长的变化量。光电探测器接收来自波分耦合器的输出 信号并把它转换成为电信号，然后经过相关的处理就可以得到我们想要的波长 的变化量。从上面的分析我们可以看到，边缘滤波检测法的电路结构非常简洁， 但是它的测量结果精确度不高。 2 1 2 宽带光源干涉接收方案 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 1 非平衡l i | 卜z 干涉解调法 如图2 3 所示，与其它解调方法一样，光源发出的光波发射到定向耦合器 中，再被传送到光纤光栅，传感光栅的反射光被送到非平衡m - z 干涉仪，通过 m _ z 干涉仪把b r a g g 波长漂移转换为相位的变化。非平衡m z 干涉仪解调法虽然 能够提供宽带宽、高分辨率的解调能力，但是这种方法只能够用来对动态变量 进行测量，如果用它来测量静态变量，则会导致测量结果产生很大的偏差。而 且这种方法的测量范围很小，在光波的传播过程中，由于系统的缺陷，会使得 测量结果比实际结果偏小的情况。所以在实际过程应用中，较少使用这种解调 方法，只有在条件有限的情况下才使用嘲。 图2 3 非平衡m _ z 干涉解调法原理图 2 1 2 2 非平衡迈克尔逊干涉解调法 在非平衡迈克尔逊干涉解调法中，干涉仪可以把波长移位的变化量反映到 波长相位移位的变化，这种方法就是根据迈克尔逊干涉仪的这种特性来制作的， 图2 4 所示为非平衡迈克尔逊干涉解调法的原理图。从图中我们可以看出，宽 带光源经由定向耦合器入射至传感光栅，传感光栅把入射光波反射出来( 窄带 光) ，反射光输出到非平衡迈克尔逊干涉仪，干涉仪把波长移位的变化量转变成 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 为波长相位移位的变化，通过干涉仪的这种处理，光波信号的相位参量发生了 改变，我们可以通过波长相位的改变量来计算得到待测变量的变化量。因为波 长相位的变化更容易通过算法处理来得到，所以这种方法是对波长移位变化的 一种改进。非平衡迈克尔逊扫描干涉仪把处理之后的光波信号输出到光电转换 器，光电转换器把光信号转换为电信号，由于电信号相对光信号来说非常容易 处理且现在电路技术已经非常成熟，我们可以很容易对电信号来进行处理，处 理完成之后把有关的信号输入至相位计，同时可以改变驱动信号的幅值以及直 流电压的大小使干涉信号变化的频率与参考信号的频率相同，这个时候我们就 可以由相位计来得到待测变量的变化量了。这种解调方法使用起来也比较简单， 对于要求不是很高的场合来说，是一种不错的解调办法，但是对解调精度要求 较高的工程应用来说，就无法满足要求嘲。 图2 4 非平衡迈克尔逊干涉仪法原理图 2 1 3 宽带光源可调窄带接收方案 2 1 3 1 可调f - p 滤波检测法 可作为窄带光滤波器的法布里一珀罗腔( f - p 腔) 是可调谐光纤f _ p 滤波器 的核心部分，可调f - p 滤波检测法是根据法布里一珀罗腔( f - p 腔) 的光学特性 来实现对反射光波波长的检测的，在一定的波长范围内，只有满足干涉条件的 光才能在f - p 腔中产生干涉。正是基于f _ p 腔的此种特性，我们可以研制出f _ p 滤波检测法来实现对光波的解调。这种解调方法是目前使用得最多的光纤布拉 武汉理工大学硕士学位论文 格光栅解调方法，这种解调方法具有低成本、高解调精度、解调电路简单等许 多优点，因而得到了广泛的使用。可调f - p 滤波检测法在近几年得到了长足的 发展，也在一定程度上促进了光纤光栅传感技术的发展。图2 5 所示为可调卜p 滤波检测法的原理简图嘲。 图2 5 可调谐f p 滤波检测法原理图 为了进一步理解可调f - p 滤波检测解调法，我们来了解一下f _ p 腔的基本 原理，如图2 6 所示是可调谐卜p 腔的结构。 三j p z t h 图2 6 可调谐f p 腔结构示意图 由图中我们可以知道，入射光经过透镜厶之后成为相互平行的光，在这些 相互平行的光波中，因为入射光是经过光纤光栅反射出来的光，所以它的波长 一定，由前面我们介绍过的f _ p 腔的光学特性可以知道，这些相互平行的光波 会在f _ p 腔内部是产生干涉极大，干涉光再经过透镜厶，由于透镜的汇聚作用， 使得干涉光又汇成一个整体，然后这束光入射到光电探测器上。在f - p 腔中， 武汉理工大学硕士学位论文 两个透镜中的其中一个位置是固定的，而另外一个可以通过压电陶瓷来对它进 行控制。我们可以通过改变压电陶瓷的外加电压来控制f _ p 腔腔长的变化，由 光学知识我们知道，当f - p 腔的腔长发生变化的时候，那么f _ p 腔输出的干涉 光的波长也会发生相应变化，当光电探测器探测到最大光强的时候，压电陶瓷 上所加电压与布拉格光栅的反射波长相对应，由上面的分析我们可以知道，只 要知道压电陶瓷上电压的实际大小，就能推断出反射波长的变化量，所以我们 就可以根据压电陶瓷上电压的大小来计算得到光纤布拉格光栅的反射波长，从 而实现对待测变量的测量。在可调f _ p 滤波检测法中，解调效果的好坏直接由 f p 滤波器的质量来决定，因此，如果要使用这种解调方法，就一定要注重f - p 滤波器的制作，才能取得较好的解调效果，不过，现在的f - p 滤波器的制作技 术已经非常成熟，所以这种解调方法得到了广泛的使用。 2 1 3 2 可调匹配光栅滤波检测法 耦台器传感光栅 图2 7 可调谐匹配光栅滤波检测法原理图 可调匹配光栅滤波检测法的原理图如图2 7 所示，它的基本原理与可调f _ p 滤波检测法差不多，都是根据压电陶瓷的变化来得到传感光栅的反射波长的变 化量，通过不断改变压电陶瓷上的控制电压来实现对传感光栅波长的测量，当 参考光栅的反射波长与传感光栅的波长相应的时候，光电探测器探测到最大光 强，记录此时加在压电陶瓷上的电压，我们就可以通过相应的对应关系来对传 感光栅的反射波长进行计算【羽。可调谐匹配光栅滤波检测法具有高分辨率、高信 噪比、结构简单等优势，但是这种方法的缺点同样很明显，如很难制作出与传 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 感光栅完全相同的参考光栅，同时因为p z t 的响应速度非常有限，所以该方法 对于频率较高的物理量的测量效果有限，只能局限于检测低频率变化或者静态 的物理量。由于可调谐匹配光栅滤波检测法的上述缺陷，所以的实际工程应用 中使用很少眦1 。 2 1 4 窄带光源宽带接收方案 因为b r a g g 反射波长的光只占整个光谱的很小一部分，所以使用宽带光源 的波长移位检测系统信噪比较低。使用有源检测是改善系统信噪比的一个有效 办法，在这种方法中，我们用光源以及传感光栅等器件构成一个激光传感器， 在前面的解调方法中，我们可以看到，都是使用宽带光源作为解调系统的光源， 宽带光源不仅光强很弱，经由传感光栅之后将变得更微弱，这对解调系统来说 是个很大的缺陷，同时宽带