摘 要

近年来，随着光纤光栅传感技术迅速发展，光纤写入技术不断改进，光纤光栅制作难度和成本大幅降低，基于光纤光栅的传感检测技术得到广泛应用。由于其具有抗电磁干扰、电气绝缘、耐腐蚀、重量轻、灵敏度高等显著特点而大量应用于煤矿、航天、船舶船运、建筑桥梁健康状态检测、大型机械运动动态监测等领域。目前，有较多低速光纤光栅解调产品在实际生活生产中投入使用，但其解调精度和速度不能满足实际工业现场中的检测需求。目前国外出现了一些相对高速的解调产品，但价格较贵，难以在实际工业生产中大量使用。

现有解调系统多采用下位机采集原始数据，上位机进行波长解调的方案，此方案速度慢不能满足高速应用需求。高 速FBG波 长解 调系 统研 究的主要工作是优 化当前的低 速波长解 调方 案，研究高速寻峰算法，达到高速度、高精度解调的目标。本文将基于FPGA讨论高速AD数据采样、快速波长解调方案以及TCP/IP协议栈实现，在分析当前FBG传感解调研究现状以及市场上商用解调产品性能的基础上，制作了基于FPGA的光纤光栅解调方案。

方案设计重点是利用FPGA进行硬件寻峰和波长标定。我们采 用单 峰滤 波器以及光梳 状滤 波器作为参 考光 路，通过参 考光路的标 定算法进一步提高了波 长解调精 度。比较了不同的寻 峰算 法，分析了每种算法的优缺点，为了达到题目高速解调的目标，最终选择了改进型的直接比较法。采用高速AD实时采集反射波长光电转换后的波形数据，FPGA（可编程逻辑门阵列）运行高速解调算法实现寻峰以及波长值解调，并通过TCP/IP协议直接将FPGA解调后的波长数值传到上位机进行实时、在线显示。通过实验测试最终解调出了波长值，验证了直接比较法高速解调的性能，解调速度2kHz，分辨率2pm。

关键词：光纤光栅；寻峰算法；高速解调；FPGA

Abstract

In re cent year s, with the rapid development of fiber Bragg grating technology, fiber writing technology continues to improve, fiber grating manufacturing difficulty and cost significantly reduced, based on fiber grating sensor detection technology is wid ely used. Because of its anti-electromagnetic interference, electrical insulation, acid and alkali, small size, light weight, high sensitivity and other significant advantages widely used in petrochemical, coal industry, aerospace industry, ship shipping, building bridge health status detection, large complex machinery Sports dynamic monitoring and other fields. At present, a large number of low-speed fiber grating demod ulation products at home and abroad in the industrial use, but its demodulation accuracy . As a result of foreign fiber grating technology research started early, there have been some high-speed demodulation products, but the price is relatively expensive, difficult to use in the field of practical engineering.

The existing demodulation system uses the lower computer to collect the original data, the host computer for wavelength demodulation program, this program can not meet the high speed application requirements. The main work of high-speed FBG wavelength demodulation system is to optimize the existing low-speed demodulation scheme, improve the wavelength demodulation algorithm, achieve high speed, high precision demodulation target. In this paper, based on FPGA research high-speed hardware data processing, AD high-speed data acquisition, fast demodulation algorithm and TCP / IP protocol stack to achieve the current FBG sensordemodulation development and market demodulation products based on the status quo.

The program design focuses on the use of FPGA for hardware pinning and wavelength calibration. We use a single-peak filter and optical comb filter as a reference optical path, through the reference optical path wavelength calibration algorithm to improve the wavelength demodulation accuracy. Compared with the different peak search algorithm, the advantages and disadvantages of each algorithm are analyzed. In order to achieve the goal of high speed demodulation, the improved direct comparison method is selected. The high-speed AD real-time acquisition of the reflection wavelength after the photoelectric conversion of the waveform data, FPGA (programmable logic gate array) to run high-speed demodulation algorithm to achieve peak and wavelength demodulation, and through the TCP / IP protocol directly after the FPGA demodulation wavelength The value spread to the host computer for real-time, online display. Through the experiment, the wavelength value is demodulated, and the high speed demodulation performance of the direct comparison method is verified. The demodulation speed is 2kHz and the resolution is 2pm.

Key Words: Fiber grating; peak finding algorithm; high speed demodulation;

FPGA

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景以及意义 1

1.2 国内外的研究现状 2

1.3 本文的研究内容及章节安排 4

第2章 光纤光栅传感原理与解调方法 5

2.1光纤光栅传感原理 5

2.2 光纤传感解调原理与解调技术 6

2.3 可调谐F-P滤波器解调法 7

2.4 本文解调方案设计 9

2.4.1 扫描激光器 9

2.4.2 参考光路 10

2.4.3 光电转换与信号处理 11

2.5 本文解调算法原理 11

2.6 常用寻峰算法 12

2.6.1 功率加权算法 13

2.6.2 高斯拟合算法 13

2.6.2 直接比较法 14

2.7 改进型的直接比较法 15

2.8 本章小结 18

第3章 基于FPGA的解调系统实现及测试 19

3.1 系统硬件实现 19

3.1.1 AD采集模块 19

3.3.2 FPGA信号处理系统 19

3.3.3 F-P滤波器驱动 21

3.3.4 以太网芯片 22

3.4 系统软件模块实现 22

3.4.1 AD采集模块 22

3.4.2 寻峰模块 23

3.4.3数据存储部分 24

3.5 系统功能仿真测试 25

3.5.1 AD采集测试 26

3.5.2 波长解调仿真 26

3.5.3 网络通信调试 27

3.6 本章小结 28

第4章 总结与展望 29

4.1 总结 29

4.2 展望 29

参考文献 30

致谢 32

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

自1978年第一根光纤光栅诞生以来，光纤光栅传感技术迅速发展，目前广泛应用于石油化工、航空航天、建筑桥梁结构健康状态检测等领域^[1]。随着光纤光栅传感技术应用领域扩大，大型工业应用中对波长解调精度和速率要求越来越高，因此高速的波长解调算法得到了深入的研究。其中光 纤光栅是经过特定工艺使纤芯的折 射率产生轴 向周期性调 制而制成的衍 射光栅，对其中传 输的光起到滤波或反射作用，反射光的中心波长对外 界温 度、应 变、气体浓 度等物理信息的变化敏感^[2-3]，目前它已成为最具代表性的光纤传感器件之一。

FBG反射波长的解调是本文的研究重点。由FBG的传感特点，外界应 力、温 度发生变化，会改变其内部的特 征参 量，进而使反射中心波长值发生移变。波长的移化量与作用于传感光栅的应力、温度等外界物理信息的变化呈特定的线性关系^[4]。传感器制作过程中使用特 定的工艺，制成只感 测温 度、应 变等单一环境信息的光纤光栅传感器。根据反射波长与测量物理量的线性变化关系可以看出光纤光栅传感器波长解调的重点是能够准确得到反射光中心波长的变化量。目前实际生产应用中出现了部分光纤光栅解调仪可以准确测量温度、应变、气体浓度等静态量，但是无法满足大型工业机械旋转、航空发动机监测等高速振动的应用需求，此类应用需要更高速的解调仪。目前国外出现了一些高速解调产品，但是价格昂贵难以在实际工程中大量使用，因此研发一种高速有效低成本的光纤光栅波长解调算法显得尤为重要。

针对温度、应变等物理量的测试需求，FBG传感器应用的关键技术之一就是快速精确地检测反射光谱中心波长的微小位移^[5]。本题目运用FPGA(现场可编程逻辑门阵列)技术进行反射光谱峰值的精确定位，对光纤布拉格波长进行线性解调，同时将解调得到的波长值通过FPGA上的TCP/IP网络通信协议栈输出到上位机显示，减少了上位机计算时间，减少了上下位机数据传输量，提高了光栅容量。且采用面 向可靠连接的T C P/I P协议通 用性好，数据传 输速度快，距 离远，可 靠性好^[6]。