干涉型光纤传感器及PGC解调技术研究

摘要

光纤传感技术的迅猛发展使得光纤传感器应用范围得到大范围的扩展。其中，干涉型光纤传感器因其具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强，动态范围大、结构多样化、便于复用等优点越来越多地受到人们的重视，而被广泛应用于军事、资源勘探、环境监测及地震预测等领域。干涉型光纤传感器的解调方法直接影响着传感系统检测的动态范围、检测精度等重要参数。在众多干涉型光纤传感器的解调方法中，相位生成载波解调技术(PGC)作为一种无源零差解调技术，可以消除相位漂移引起的干涉输出不稳现象，因其高灵敏度、大动态范围和好的线性度而得到广泛的应用。本文对干涉型光纤传感器及PGC解调技术进行了详细研究。
　　本文的主要研究内容如下:
　　第一、简要概述了光纤传感技术发展现状，总结了几种常用的干涉型光纤传感器结构及干涉型光纤传感器的解调技术，并对这些针对干涉型光纤传感器的解调技术进行了详细的原理分析，为下文干涉型光纤传感器解调方法的具体选取奠定了基础。
　　第二、详细分析了干涉型光纤传感器的传感及检测的基本原理，阐述了PGC相位生产载波调制实现的原理。对PGC解调算法进行了详细的理论分析并给出相关参数的选取原则，最后对几种典型的PGC改进算法进行了简要原理分析。
　　第三、根据前两部分工作提出了干涉型光纤传感器及其解调方法整体设计方案，给出了系统光电转换部分预处理电路设计方案，给出了系统PGC解调算法各模块软件实现方案，确定系统PGC数字化解调平台选用DSP，并给出PGC算法实现中DSP内存空间分配和算法的软件流程图。
　　第四、提出了两种PGC改进算法:一种是基于基频混频的PGC改进算法，该算法克服了基频混频算法只适应于小信号的局限性，减少了一路载波信号的产生，降低了数字解调时系统内存的占用，降低了系统最低采样频率。另一种是消除伴生调幅影响的PGC解调方法，该算法通过利用干涉信号中的3次谐波分量和基次谐波分量进行解调，有效地消除了伴生调幅对解调结果的影响，同时降低了数字解调时占用的内存及系统解调所需的最低采样频率，并对干涉型光纤传感器传统解调算法和提出的两种改进算法分别进行了仿真分析。
　　第五、对系统整体设计方案进行实验研究，搭建Mach-Zehnder干涉结构进行光路干涉和外调制实验。对光电预处理部分中的光电转换部分、放大电路、抗混叠滤波器及AD采集模块分别进行调试。最后对光路干涉传感部分与DSP解调部分进行初步联合调试实验，得到预期结果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 光纤传感技术

1．2 干涉型光纤传感器

1．2．1 Michelson干涉型光纤传感器

1．2．2 Mach-Zehnder干涉型光纤传感器

1．2．3 Sagnac干涉型光纤传感器

1．2．4 Fabry-Perot干涉型光纤传感器

1．3 干涉型光纤传感器的解调方法

1．3．1 PGC相位生成载波调制解调法

1．3．2 主动零差解调法

1．3．3 伪外差解调法

1．3．4 合成外差解调法

1．4 本课题主要研究内容和工作安排

1．5 本文主要创新点

第二章 干涉型光纤传感器及PGC解调算法理论分析

2．1 干涉型光纤传感器传感原理分析

2．2 PGC相位生成载波调制实现原理分析

2．3 PGC解调算法原理分析及相关参数选取

2．3．1 PGC解调算法原理分析

2．3．2 最佳相位调制度C的选取

2．3．3 系统最低采样频率

2．3．4 PGC解调动态范围上限

2．4 几种典型性的PGC改进解调算法原理分析

2．4．1 基频混频PGC解调算法

2．4．2 三倍频混频解调算法

2．4．3 反正切-微分自交叉相乘解调算法

2．4．4 一种改进解调算法

2．5 本章小结

第三章 干涉型光纤传感器及其PGC解调系统的数字化实现

3．1 系统整体设计方案

3．2 光电转换预处理电路设计

3．3 PGC解调算法各模块数字化实现方案

3．3．1 载波信号的实现

3．3．2 数字滤波器的设计

3．3．3 数字微分算法

3．3．4 数字积分算法

3．4 PGC算法DSP内存空间分配及软件流程图

3．4．1 PGC算法DSP内存空间分配

3．4．2 PGC算法DSP软件实现流程图

3．5 本章小结

第四章 干涉型光纤传感器PGC解调算法仿真分析

4．1 传统PGC解调算法仿真分析

4．1．1 PGC-DCM算法解调仿真

4．1．2 PGC-Arctan算法解调仿真

4．2 基于基频混频的PGC改进算法

4．2．1 改进算法原理分析

4．2．2 改进算法后相关参数选择

4．2．3 改进算法仿真结果分析

4．3 一种消除寄生调幅的PGC改进算法

4．3．1 改进算法原理分析

4．3．2 改进算法后相关参数选择

4．3．3 改进算法仿真结果分析

4．4 本章小结

第五章 干涉型光纤传感器及其PGC解调系统初步实验研究

5．1 基于Mach-Zehnder干涉仪干涉实验

5．2 光电转换预处理电路模块调试

5．2．1 光电探测器性能测试

5．2．2 放大电路模块调试

5．2．3 AD采集实验

5．3 光路与电路联合调试

5．3．1 Mach-Zehnder干涉仪外调制干涉图形实验

5．3．2 外调制时AD数据采集前后PD探测干涉信号波形

5．3．3 Mach-Zehnder干涉仪与AD采集联合调试

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢