摘 要

随着光纤传感技术的不断提高，光纤传感网络逐渐向大规模、长距离、高精度方向发展。弱光纤光栅的出现，使大规模光纤传感网络成为了现实。以弱光纤光栅阵列作为传感单元，结合Φ-OTDR技术和干涉技术，构建了分布式振动探测系统，实现了高灵敏度、高频率响应、高精确度的振动测量。通过匹配干涉仪检测相邻两弱光纤光栅之间的干涉信号，判断在该传感光纤上的振动信号；再通过时分复用技术对该振动信号进行定位，从而实现了对振动信号的分布式实时监测。

3×3光纤耦合器作为分布式振动检测系统的重要组成器件，是相邻两个弱光栅反射光发生干涉，并将产生的干涉信号分成分光比为1:1:1的相位差为120°的三路待解调信号的场所。本文在对分布式系统介绍的基础上，对3×3耦合器的研究背景和意义做出解释。简单介绍了光纤相位解调的理论知识，提出两种基于3×3耦合器的信号解调方法：反正切算法和微分交叉相乘法。然后分别对两种算法做出研究，验证了微分交叉相乘法的正确性。最后介绍了FPGA的结构原理和开发流程以及xilinx公司的ISE开发软件。并用ISE在FPGA上实现了3×3解调算法的各个模块。

关键词：光纤传感器；3×3耦合器；信号解调；FPGA；ISE;

Abstract

With the rapid development of optical fiber sensor applications, the optical fiber sensing network has gradually developed to the trend of large capacity, long distance, high precision. To obtain larger capability, it is a great choice to use weak FBGs. In this paper, We propose and experimentally demonstrate a distributed sensing system using an identical weak fiber Bragg grating array. Combinating with the Φ-OTDR and interference technology to achieve high sensitivity, high frequency response and high precision vibration measurement. Phase, frequency and location information of vibration can be demodulated by using a path-match interferometry method.

3 x 3 fiber coupler as an important device of distributed vibration detection system, is adjacent to two weak reflection grating interference occurs, and will produce interference signals into ratio for the phase difference of 120 ° ,three way for demodulation signal produced by it. In a distributed system introduced in this paper, on the basis of the study of 3 * 3 coupler and explained the background and significance. Simple introduced the optical fiber phase demodulation theory knowledge, puts forward two kinds of signal demodulation method based on 3 * 3 coupler: the arctangent multiplication algorithm and differential cross. Then respectively to two algorithms introduced to verify the validity of the differential cross phase method. Finally this paper introduces the structure principle of FPGA and the development process and xilinx ISE software development company. Using ISE in FPGA to realize the 3 x 3 solutions.

Keywords：Fiber Optic Sensor；3 × 3 coupler；Signal demodulation；FPGA；ISE;

目录

第1章 绪论 1

1.1论文研究的背景 1

1.2分布式振动检测系统概述 2

1.3课题研究的意义及内容 3

第2章 光相位调制技术原理 5

2.1Φ-OTDR技术研究 5

2.2相干干涉技术研究 6

2.3本章小结 7

第3章 基于3×3光纤耦合器两种解调算法 8

3.1 3×3光纤耦合器件介绍 8

3.2 反正切相位解调法 8

3.3微分交叉相乘法 10

3.4 3×3解调算法仿真与分析 12

3.5本章小结 19

第4章 3×3耦合器解调方法的FPGA软件设计 21

4.1 FPGA简介 21

4.3 ISE开发系统介绍 22

4.4 各模块设计实现 23

4.4.1分频模块 24

4.4.2 Average模块 24

4.4.3 Differential微分模块 25

4.4.4 Integrate积分模块 26

4.4.5高通滤波模块 27

4.4.6整合模块 28

4.5本章小结 28

第5章 总结与展望 29

5.1 总结 29

5.2展望 29

参考文献 30

致谢 31

1. 绪论

1.1论文研究的背景

作为近代信息技术研究的重要内容，传感技术是人们在高新技术发展方面争夺的制高点之一，很多国家都将其作为现代高新技术发展的关键：日本自1980年起就将传感技术作为优先发展的高新技术之首；美国等西方国家也将传感技术作为国家科技发展的重要内容；我国在80年代末将也传感技术作为优先发展的信息技术之一。

光纤传感技术作为一种新型传感技术飞速发展，起步于20世纪70年末，是伴随着光纤技术和光通信技术的发展而形成的。光纤传感技术是多门学科融合的新一代传感技术，其以光纤为媒介，光波为载体，通过外界待测信号（如温度、磁场、应力、振动、等）对光纤内传输的光波进行调制，使传输光波特征参量（如相位、强度、频率、波长或偏振态等）发生变化，再对调制后的光信号进行解调，从而实现对外界待测信号的测量。通过30多年的飞速发展，光纤传感技术已经取得了很大进步，目前研究出了各种各样的光纤传感器^[1]，包括：光纤气体传感器、光纤温度传感器、光纤加速度传感器等。光纤传感器和传统的电传感器、化学传感器等其他传感器相比主要差别是：传统的传感器是以应变或电量等物理量作为基础的，通过有线或者无线的方式对待测信号进行传输；而光纤传感器不仅以光信号作为传输的载体，同时利用光纤来传输待测信号。因此，相较于传统传感器，光纤传感器具有一系列独特的优点：

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