基于调频连续波的弱反射光纤光栅解调系统研究与实现

摘要

光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器以其体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、易组网等优点在各个领域得到了广泛应用。日益复杂的测量环境对光纤光栅传感系统的复用容量、精度、成本等提出了更高的要求。本文采用中心波长、反射率等光学参数均一致的全同弱光栅阵列构建传感网络，基于调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW）技术构建解调系统，通过对解调系统、解调算法及相关问题的研究，实现了一种大容量、高精度、低成本的弱反射光纤光栅传感阵列的解调方案，论文的主要研究工作如下： （1）搭建了基于全同弱反射光纤光栅阵列的传感系统，分析了光纤光栅传感原理及温度传感模型，研究了瑞利散射、光栅多重反射等因素对系统复用容量的影响机理，通过仿真证明了可通过降低光栅反射率来提高系统复用容量。 （2）研究了基于调频连续波技术的弱反射光栅阵列解调系统，该系统由光源系统单元、传感系统单元、信号处理单元构成。光源系统单元利用分布式反馈(Distributed Feedback Laser,DFB)激光器电流调谐速度快、温度调谐范围宽的特点，配合高速直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer,DDS）线性扫频驱动模块和温度控制模块，输出调制光线性调频宽度为20MHz、波长扫描范围2nm，为减小光栅反射光之间的相干拍频，在DFB驱动信号上叠加白噪声改变激光器输出光线宽；传感单元采用光环形器与全同弱光栅阵列构成，增加了系统复用容量；信号处理单元采用高速、高增益雪崩二极管(Avalanche photodiode,APD)进行光电转换，通过混频、滤波、放大等处理后进入以FPGA为核心的控制系统进行数据采集及数据处理。 （3）研究了基于调频连续波技术的弱反射光栅阵列解调算法，以快速获取弱光栅阵列中各个光栅的位置信息与波长信息。为提高系统解调速度，利用DFB激光器温度扫描时的温度稳定过程同时进行数据处理；为提高波长解调精度，实时采集DFB激光器工作温度，利用DFB激光器波长-温度特性曲线对输出光波长进行标定，并采用精度最高的高斯拟合算法进行光栅中心波长寻峰。 （4）分析系统解调速度影响因素，计算了解调过程中各个步骤耗费时间，搭建实验系统对系统解调速度进行了测量；通过在传感光栅阵列前串接10km延时光纤，验证了系统长距离解调能力；通过静态温度实验，验证了解调系统的全同弱光栅阵列解调线性度、解调精度及稳定性，实现了单根光纤上串接100个间隔5m、反射率仅为0.1%的全同弱光栅的解调，在0℃-80℃的温度范围内，解调线性度达0.998以上，解调误差在13pm内。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究的目的和意义

1.3 光纤光栅传感技术的国内外研究现状

1.4 调频连续波光纤光栅解调技术国内外研究现状

1.5 本文主要研究内容及组织架构

第2章 光纤光栅传感原理及复用容量分析

2.1 光纤光栅传感原理及温度传感模型

2.2 全同弱反射光纤光栅复用容量分析

2.3 本章小结

第3章 基于调频连续波的弱反射光栅解调系统设计

3.1 解调系统的组成

3.2 光源系统单元设计

3.3 信号处理单元设计

3.4 本章小结

第4章 基于调频连续波的弱反射光栅解调算法设计

4.1 解调原理分析

4.2 激光器输出光波长标定算法

4.3 解调算法的实现

4.4 本章小结

第5章 解调系统实验测试

5.1 系统长距离解调实验和稳定性测试

5.2 系统解调速度测试实验

5.3 全同弱光栅温度实验

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1全文工作总结

6.2下一步工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表学术论文