ARM嵌入式光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)

提出了一種基于fpga與dsp平臺(tái)的光纖布拉格光柵傳感分析儀,將外界參量的變化轉(zhuǎn)化為光纖布拉格光柵波長(zhǎng)的偏移,通過(guò)數(shù)據(jù)采集、過(guò)濾雜波、信號(hào)波峰檢測(cè)、高斯曲線擬合以及加權(quán)波長(zhǎng)計(jì)算等關(guān)鍵步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù),進(jìn)而完成溫度、應(yīng)變、壓力或位移等對(duì)象的在線測(cè)量,并且可以實(shí)現(xiàn)光纖線路故障分析與定位的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)功耗低、線性度好、波長(zhǎng)解調(diào)精度與分辨率較高。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期測(cè)試,系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

提出了基于可調(diào)激光器和聲光脈沖調(diào)制的光纖布拉格光柵(fbg)傳感系統(tǒng),同時(shí)利用摻鉺光纖放大器(edfa)和拉曼放大相結(jié)合的放大方案大幅度提高了光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)的傳輸距離,達(dá)到了300km的超長(zhǎng)距離傳感。該系統(tǒng)通過(guò)前端的edfa和末端的拉曼泵浦光源來(lái)補(bǔ)償光纖布拉格光柵反射的光功率。系統(tǒng)在低于275km長(zhǎng)度時(shí)獲得了大于15db的優(yōu)良信噪比;在300km處獲得了4db的信噪比,以及明顯的反射信號(hào)。系統(tǒng)在100,200,250,300km處的靜態(tài)應(yīng)變實(shí)驗(yàn)中,線性度均達(dá)到了0.999以上。系統(tǒng)可望在鐵道、輸油(氣)管道、海岸線等的超長(zhǎng)距離遙測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。

根據(jù)理想模展開(kāi)下的耦合模方程,對(duì)光纖布拉格光柵的峰值反射率公式進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo),得到了布拉格光纖光柵的光譜反射率表達(dá)式。全面討論了光柵周期、光纖柵長(zhǎng)、光致折射率微擾最大值等參數(shù)與光纖光柵反射光譜的關(guān)系。仿真結(jié)果顯示了固定參數(shù)下布拉格光柵的極限窄帶寬,得到的反射率為1、帶寬為0.02nm的窄帶寬布拉格光柵,比現(xiàn)今分布式傳感系統(tǒng)中使用的布拉格光柵的帶寬窄1個(gè)數(shù)量級(jí)。這種布拉格光纖光柵用于分布式傳感系統(tǒng),可大大提高分布式傳感系統(tǒng)中光源的帶寬利用率,消除各信號(hào)間的相互串?dāng)_,提高傳感光柵復(fù)用數(shù)目,降低解調(diào)系統(tǒng)成本。

設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)械感生長(zhǎng)周期光纖光柵(mi-lpg)的雙邊緣濾波光纖布拉格光柵(fbg)傳感解調(diào)方案。采用不同寫(xiě)制參數(shù)制作了諧振邊帶對(duì)稱(chēng)交迭,諧振峰值和帶寬相同的兩個(gè)mi-lpg作為濾波器,利用反射fbg信號(hào)通過(guò)不同光譜特性的濾波器時(shí)輸出不同光強(qiáng)的比值對(duì)數(shù)算法確定被測(cè)波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)表明,本解調(diào)方法能夠精確、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)fbg傳感信號(hào)的解調(diào),動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)5nm,解調(diào)系統(tǒng)線性擬合計(jì)算值和光譜儀所測(cè)波長(zhǎng)值的均方差為6pm,線性度好,精度高。

為了研究鍍ni光纖布拉格光柵(fbg)的溫度靈敏度,根據(jù)鍍nifbg的特點(diǎn),分析了鍍nifbg溫度變化時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變,從理論上推導(dǎo)出鍍nifbg的溫度靈敏度公式并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,用理論證明了鍍nifbg的波長(zhǎng)漂移、應(yīng)力和應(yīng)變與溫度變化成線性關(guān)系,分析了鍍nifbg的溫度靈敏度與鍍層厚度的關(guān)系。用an-sys軟件對(duì)鍍nifbg在溫度變化時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了仿真。理論分析得到鍍層厚度為4.56μm的鍍nifbg的溫度靈敏度為14.3306pm/℃,實(shí)驗(yàn)值為14.113pm/℃。理論、實(shí)驗(yàn)和仿真得到了一致的結(jié)果。

基于光纖光柵傳感技術(shù),采用光纖光柵應(yīng)變計(jì)、光纖光柵溫度計(jì)、光纖光柵位移計(jì)對(duì)一座既有預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板橋的靜、動(dòng)載試驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)試;對(duì)比分析了傳統(tǒng)傳感技術(shù)與光纖光柵傳感技術(shù)的測(cè)試結(jié)果。結(jié)果表明:傳統(tǒng)傳感器和光纖傳感器實(shí)橋測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果均能吻合,均能夠反映出橋梁的實(shí)際受力狀態(tài);且光纖光柵傳感器可以真實(shí)反映加載的整個(gè)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)加載過(guò)程的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)控。

采用數(shù)值模擬的方法研究了光纖布拉格光柵(fbg)的非線性雙穩(wěn)開(kāi)關(guān)特性。從耦合模理論出發(fā),利用jacobi橢圓函數(shù)法得到了3種不同的解,首先對(duì)3種解下的非線性雙穩(wěn)開(kāi)關(guān)特性分別進(jìn)行比較,然后針對(duì)各個(gè)解下的影響開(kāi)關(guān)特性的失諧量、耦合系數(shù)和光柵長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行分析,研究結(jié)果對(duì)于分析和構(gòu)建非線性雙穩(wěn)fbg光開(kāi)關(guān)具有一定的意義。

從布拉格光柵方程出發(fā),理論上分析了在溫度、應(yīng)變雙參量同時(shí)測(cè)量時(shí),考慮溫度-應(yīng)變交叉靈敏度、二階應(yīng)變靈敏度和二階溫度靈敏度情況下,溫度和應(yīng)變測(cè)量的誤差的一般數(shù)學(xué)公式.結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了溫度和應(yīng)變的誤差計(jì)算,得出3個(gè)二階靈敏度在不同的溫度變化、應(yīng)變范圍內(nèi)對(duì)測(cè)量誤差的貢獻(xiàn)不同.同時(shí)給出了波長(zhǎng)的漂移量與溫度、應(yīng)變呈線性關(guān)系時(shí),溫度變化和應(yīng)變的范圍.

針對(duì)傳統(tǒng)骨骼形變監(jiān)測(cè)技術(shù)中存在的傳感器尺寸較大,易受電磁干擾,不易實(shí)現(xiàn)體內(nèi)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等不足,采用光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,fbg)作為骨骼形變監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)原理及應(yīng)用方式.基于fbg應(yīng)力傳感原理,將不同中心波長(zhǎng)的fbg粘貼于清理干凈的肋骨上進(jìn)行載荷實(shí)驗(yàn),隨后將采集的布拉格波長(zhǎng)換算成形變,實(shí)時(shí)顯示骨骼受載荷時(shí)的形變趨勢(shì).實(shí)驗(yàn)采用在多點(diǎn)粘貼f3g的方式,避免了溫度、應(yīng)變交叉?zhèn)鞲械膯?wèn)題.實(shí)驗(yàn)表明,粘貼在豬肋骨上的fbg的波長(zhǎng)變化與該位置受力產(chǎn)生的彎曲形變具有明顯的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系,光纖光柵譜峰漂移隨骨骼撓度變化的靈敏度可達(dá)39.00525pm/mm.實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)發(fā)展微型、實(shí)時(shí)、集成骨骼健康監(jiān)控具有一定的參考意義.

推導(dǎo)并驗(yàn)證了非啁啾取樣光纖布拉格光柵(sfbg)反射譜中反射峰值波長(zhǎng)的表達(dá)式?；诜N子光柵中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的折射率調(diào)制深度和取樣光纖布拉格光柵折射率調(diào)制函數(shù)的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式,提煉出取樣光纖布拉格光柵的折射率調(diào)制深度和各階光柵周期,從而導(dǎo)出其反射峰值波長(zhǎng)的表達(dá)式。由于考慮了占空比、取樣周期等取樣光纖布拉格光柵的結(jié)構(gòu)參量,因而表達(dá)式能夠描述反射峰的分布。仿真實(shí)驗(yàn)中,不同占空比或取樣周期下計(jì)算出的反射峰值波長(zhǎng)、信道間隔符合數(shù)值反射譜。該表達(dá)式既適用于均勻取樣光纖布拉格光柵,也適用于交流切趾和交直流切趾取樣光纖布拉格光柵。

載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵(fbg)的布拉格波長(zhǎng)漂移。通過(guò)檢測(cè)2個(gè)fbg的波長(zhǎng)漂移差,得到被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。雙fbg通過(guò)補(bǔ)償溫度效應(yīng),解決了fbg傳感器的交叉敏感問(wèn)題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保fbg在傳感過(guò)程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,從而減少了測(cè)量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為1.11nm/t,與理論值的相對(duì)誤差為4.31%,結(jié)果表明,該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

兩電流產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵的布拉格波長(zhǎng)漂移。通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)布拉格光柵的波長(zhǎng)漂移差,得到被測(cè)電流。雙光纖布拉格光柵通過(guò)補(bǔ)償溫度效應(yīng),解決了光纖布拉格光柵傳感器的交叉敏感問(wèn)題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保光纖光柵在傳感過(guò)程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,從而減少了測(cè)量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為0.097nm/a,與理論值的相對(duì)誤差為3.38%,結(jié)果表明該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

研究了單模光纖布拉格光柵的偏振相關(guān)損耗(pdl)特性。運(yùn)用耦合模理論和瓊斯(jones)矩陣提出了反射光的有效偏振相關(guān)損耗(pdleff),并模擬了其隨光柵參數(shù)和雙折射量的變化性質(zhì)。光柵反射光的偏振相關(guān)損耗在反射譜的帶邊處明顯地表現(xiàn)出來(lái),特別是帶邊比較陡峭時(shí)。結(jié)果表明,光柵的有效偏振相關(guān)損耗明顯地依賴(lài)于光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和雙折射量。光柵的有效偏振相關(guān)損耗隨光柵長(zhǎng)度和調(diào)制深度的增加急劇增大。對(duì)于給定光柵長(zhǎng)度和調(diào)制深度的光柵,光柵雙折射量小于2×10-5時(shí),光柵的有效偏振相關(guān)損耗隨雙折射的增大迅速增大;光柵雙折射量大于2.5×10-4時(shí),光柵的有效偏振相關(guān)損耗的兩個(gè)主峰的寬度變大并在其上有子峰,隨雙折射的繼續(xù)增大,兩主峰間距增大而子峰變小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬基本吻合。

根據(jù)耦合模理論,數(shù)值模擬了多模光纖布拉格光柵的傾斜角度對(duì)纖芯基模向纖芯高階模式的轉(zhuǎn)換問(wèn)題.反射光譜的數(shù)值計(jì)算中,假定只有l(wèi)p01模式激發(fā)情況下lp01模式與lp11模式的轉(zhuǎn)換。

采用聚焦的紅外飛秒激光對(duì)紫外激光刻寫(xiě)的ⅰ型光纖布拉格光柵(fbg)分別進(jìn)行了單點(diǎn)和掃描式曝光實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)研究了飛秒激光脈沖能量遠(yuǎn)低于光纖的損傷閾值情況下,脈沖激光對(duì)光柵光譜的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),激光單點(diǎn)照射柵區(qū)任意位置時(shí),照射過(guò)程中的光譜有較大紅移,且光譜結(jié)構(gòu)不再是單透射峰而是不規(guī)則的多透射峰;然而照射結(jié)束后的布拉格波長(zhǎng)藍(lán)移且光柵透射率增加,隨著曝光時(shí)間的增加該變化逐漸趨于飽和。通過(guò)建立非均勻溫度場(chǎng)擴(kuò)散模型,激光誘導(dǎo)的折射率變化會(huì)疊加在原光柵的折射率調(diào)制分布上,理論仿真了不同曝光時(shí)間后和曝光過(guò)程中的光譜變化,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。

文中介紹了光纖布拉格光柵的原理;根據(jù)耦合模方程,介紹了幾種光柵的仿真方法;分別以光纖布拉格光柵濾波器、色散補(bǔ)償器、相移光柵和采樣光柵為例說(shuō)明了光纖光柵的設(shè)計(jì)方法。

基于光纖布拉格光柵傳感模型,提出了一種懸臂梁與波登管相結(jié)合的光纖光柵壓強(qiáng)傳感器的組合設(shè)計(jì),推導(dǎo)了光纖布拉格光柵中心波長(zhǎng)偏移量與壓強(qiáng)之間的解析關(guān)系式。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,壓強(qiáng)調(diào)諧光纖布拉格波長(zhǎng)的靈敏度系數(shù)的理論值與實(shí)驗(yàn)值分別為0.2246nm/mpa、0.2218nm/mpa,在0~6mpa測(cè)壓范圍內(nèi),調(diào)諧范圍為1.35nm.

為實(shí)現(xiàn)高速度、高精度的光纖光柵傳感解調(diào)，提出了一種基于狀態(tài)機(jī)的自適應(yīng)半峰檢測(cè)尋峰算法。算法通過(guò)對(duì)fbg反射波形的實(shí)時(shí)跟蹤確定波形數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)波形數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析得到尋峰閾值，通過(guò)校驗(yàn)與補(bǔ)償精確得到峰值位置。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，對(duì)于2khz的解調(diào)速度，解調(diào)分辨率達(dá)到1pm，靜態(tài)噪聲在±2pm以?xún)?nèi)，長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試的穩(wěn)定性誤差在2pm以?xún)?nèi)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍在0～-30db，光功率衰減導(dǎo)致的穩(wěn)定性誤差在4pm以?xún)?nèi)。這表明，本算法從速度、精度、抗干擾性、穩(wěn)定性等方面都能夠滿(mǎn)足高速解調(diào)的需要。

闡述了光纖布拉格光柵溫度應(yīng)力傳感器的工作原理及光柵中心波長(zhǎng)的移動(dòng)探測(cè)解調(diào)原理,分析了光纖布拉格光柵傳感器在油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用和前景

闡述光纖布拉格光柵溫度應(yīng)力傳感器的工作原理及光柵中心波長(zhǎng)的移動(dòng)探測(cè)解調(diào)原理,分析光纖布拉格光柵傳感器在油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用和前景。

利用有限元法對(duì)一種柚子型光子晶體光纖中的傳輸模式進(jìn)行了模擬,得到了各傳輸模式的有效折射率和模場(chǎng)分布。結(jié)合耦合模理論和相關(guān)函數(shù)方法,對(duì)柚子型光子晶體光纖布拉格光柵反射譜進(jìn)行了理論分析,解釋了柚子型光纖光柵出現(xiàn)多個(gè)諧振峰的原因;數(shù)值分析了光纖纖芯直徑和空氣孔尺寸對(duì)光柵傳輸譜的影響。結(jié)果表明諧振峰波長(zhǎng)隨纖芯直徑的增大向長(zhǎng)波方向漂移,而隨空氣孔增大向短波方向移動(dòng),并且不同諧振模式的變化幅度不同;利用相位模板法寫(xiě)制了光子晶體光纖光柵,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析能夠很好地吻合。

光纖傳感器作為一種線性的測(cè)試儀器,應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域時(shí),較傳統(tǒng)傳感器有更多的優(yōu)越性和更加廣泛的應(yīng)用前景。介紹了光纖bragg傳感器的工作原理及應(yīng)用,并通過(guò)混凝土試件的加載試驗(yàn),對(duì)fbg應(yīng)變傳感器和電阻應(yīng)變計(jì)量測(cè)混凝土的應(yīng)變測(cè)量進(jìn)行了比較。提出準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)室中將得到更加廣泛的應(yīng)用。