摘 要

高速运动物体的速度测量在航空航天、高速铁路、武器制造领域都有重要的应用。但是在一些狭小空间内发生的高速运动，其速度测量极为困难，传统的传感测量技术，如视觉测量，超声测速都难以使用。小型化的、超高速的测量技术是解决航空航天、高速铁路、武器制造中诸多问题的关键。光纤光栅传感器由于具有重量轻、体积小、寿命长、精度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、灵活方便等优点，成为了目前小型化高速传感测量的首选。

本论文提出了一种新型的小型化光纤光栅传感器，能高精度、快速的测量狭小空间内飞行物体（如试验飞弹）的超高速度， 该系统是基于一种基于分布式光纤布拉格光栅调制解调技术、时分复用光栅回波测量技术、高速信号采集系统的高速物体测量系统。首先从理论上分析了光纤光栅传感器的基本工作原理，多传感器时分复用原理以及光栅解调方法，然后对所提出的高精度、快速速度测量方法进行了详细的理论设计和硬件电路设计。理论上分析讨论系统体系结构、系统传感器容量、光栅参数、分布式测速系统空间分布率、检测频率等工程设计问题，并根据系统测量需要，进一步设计了测量高速采集系统的关键硬件电路和元器件。最后按照本设计提出的高速测量系统及选定的元件性能对系统的工作性能进行了详细的仿真研究。研究结果发现在该系统中光栅阵列的反射率会影响系统中的大部分参数；超高速测量对环境要求苛刻，但光纤传感器系统却能够在极端环境下工作；由于该系统中的测速方案是记录时间，因此不需要考虑回波信号的波长和功率。以上研究为光纤超高速测量提供了新的思路和理论仿真支持，可以为将来开发基于光纤光栅的超高速测量系统提供帮助。

关键词：时分复用，高速检测电路，光纤光栅传感器，边缘滤波解调

Abstract

The speed measurement of high-speed moving objects has important applications in aerospace, high-speed railway, and weapon manufacturing. However, the high-speed motion occurring in some ultra-high-speed, narrow spaces is extremely difficult to measure the speed. Traditional sensor measurement techniques, such as visual measurement and ultrasonic speed measurement, are difficult to use. Miniaturized, ultra-high-speed measurement technology is the key to solving many problems in aerospace, high-speed railway, and weapon manufacturing. Fiber Bragg Grating Sensor has become the first choice for miniaturized high-speed sensor measurement due to its advantages of light weight, small size, long life, high accuracy, corrosion resistance, electromagnetic interference resistance, flexibility and convenience.

This paper proposes a new type of miniaturized fiber Bragg grating sensor that can measure the ultra-high speed of flying objects (such as test missiles) in a narrow space with high accuracy and speed. High-speed object measurement system with modulation technology, time-division multiplexing grating echo measurement technology, and high-speed signal acquisition system. Firstly, the basic working principle of the fiber grating sensor, the principle of multi-sensor time division multiplexing and the method of grating demodulation are analyzed theoretically, and then the detailed theoretical design and hardware circuit design of the proposed high-precision and fast speed measurement method are carried out. Theoretically analyze and discuss engineering design issues such as system architecture, system sensor capacity, grating parameters, distributed velocity measurement system spatial distribution rate, and detection frequency, and further design key hardware circuits and components for measuring high-speed acquisition systems according to system measurement needs . Finally, according to the high-speed measurement system proposed in this design and the performance of the selected components, the working performance of the system is simulated in detail. The results of the study found that the reflectivity of the grating array in the system will affect most of the parameters in the system; ultra-high-speed measurement is demanding on the environment, but the fiber-optic sensor system can work in extreme environments; because the speed measurement scheme in the system is recorded Time, so there is no need to consider the wavelength and power of the echo signal. The above research provides new ideas and theoretical simulation support for fiber ultra-high-speed measurement, and can help in the future development of fiber-optic grating-based ultra-high-speed measurement systems

Keywords: time division multiplexing, high-speed detection circuit, fiber grating sensor, edge filter demodulation

目录

第一章 绪论 1

1.1.研究背景 1

1.2.国内外研究现状 1

1.3.研究意义 3

第二章 理论基础 4

2.1光纤传感原理 4

2.1.1.光纤光栅传感器基本原理 4

2.1.2.光纤光栅应变传感器原理 4

2.2复用技术原理及选择 5

2.2.1.复用技术分类与选用 5

2.2.2.时分复用系统原理 5

2.2.3.时分复用串扰分析 7

2.3.解调技术原理及选择 9

2.3.1.可调谐光纤F-P滤波法 9

2.3.2.非平衡M-Z干涉法 10

2.3.3.边缘滤波法 10

2.3.4.小结 11

2.4.EOM脉冲调制原理 12

2.4.1.EOM的定义 12

2.4.2.EOM的工作原理 12

第三章 理论设计 13

3.1.整体系统结构设计 13

3.2.系统容量设计 13

3.3.光栅设计 14

3.4.空间分辨率设计 17

3.5.检测频率设计 18

3.6.测速设计 19

第四章 高速采集电路设计 21

4.1.高速光电探测器 21

4.2.AD转换部分 23

4.3.差分AD部分 24

4.4.FPGA部分 25

4.5.电源部分设计 25

第五章 实验与仿真 26

5.1.实验装置原理与性能参数设置 26

5.1.1.波长可调谐激光器 26

5.1.2.EOM脉冲调制器 27

5.1.3.信号发生器 28

5.1.4.耦合器 30

5.1.5.环形器 30

5.2.系统仿真结果及讨论 30

5.2.1.调制信号强度 30

5.2.2.检测方波信号 31

5.2.3.容量与反射率关系 34

5.2.4.信号到达时间 35

5.2.5.反射率与回波信号关系 37

5.2.6.速度测量 40

5.2.7.检测频率 41

5.2.8.整体仿真 43

5.2.9.LABVIEW仿真测速 45

第六章 研究展望 50

第七章 结论 51

致 谢 54

附录一 1

附录二 7

附录三 8

第一章 绪论

1.1.研究背景

现代科学与工业的高速发展与测速技术息息相关，一个国家的科研水平足够用该国家的测速技术去衡量。在众多测速领域中，高速运动物体的速度测量是军事、航空航天、便民生活等方面发展的基础，对于国家的发展有着重要的意义。测量高速运动物体的速度不仅仅是测量物体整个运动过程中的平均速度，而是研究其在运动路径中每一个时刻的速度。若求得每一刻的速度，就能够进一步了解物体在测量路径中的具体运动情况，这对研究高速运动物体的运动状态有着重要意义。

测量管道内运动物体状态在是测速领域中重要的一环，在化工，军工，农业，物流，爆破，能源等工业领域有着重要的价值。管内物体测速与其他测速的最大不同是空间狭小，环境影响大，所以对测速系统的紧凑性和抗干扰性有很高的要求。在测得管内运动物体的瞬时速度后，可进一步对管内部结构进行设计，从而提高物体在管内的运动质量。测得速度的进度还会影响到被测物体的后续的研究，发展和应用。因此高速、精准地测量管内高速运动物体的运动速度，例如本文所研究的狭长炮管中高速炮弹移动速度，对于我国在未来国际战略优势中领先地位的确有着重大的意义。

1.2.国内外研究现状

本项目为基于光纤光栅时分复用技术的高速运动物体测量。因此在本节中阐述光纤光栅、时分复用技术、高速运动测速等三个方面的国内外研究现状。

光纤光栅传感技术的创新，给传统传感器的发展带来了全新方向与前景。在使用FBG传感器时，传递传感信息的是波长编码，正因如此，测量波长的变化就成为了FBG传感的重要技术基础。如今有许多解调方式，其中包括边缘滤波解调技术、M-Z干涉仪解调技术、匹配光栅解调技术、F-P腔干涉解调技术等，上述解调技术在技术层面各有优缺点，国内外学者对新型解调技术的研究仍在如火如荼地进行中。

2000年, Seungwoo提出了一种创新的波长解调技术，这种解调方式利用到了高双折射率的光纤。这种方法对外界干扰抗性比较高，在施加外加干扰的情况下，也获得了较不错的测量结果。这种方法被归类于干涉解调，因此有着较高的解调速度，能够进行动、静态测量。2002年，Ho提出一种能够同时测量动、静态物理量的新型解调系统。这种方法对于动态、静态测量都有着较高的分辨率。由于可以同时测量动静态参数、多被用于复合材料的检测、动态流体中的热能检测等方面。

近年来，各国研究组织都在对时分复用系统进行深入研究。1988年建成的第一个时分复用点对点实验室传输系统的速率为4x4Gbit/s。1994年，研发出了第一个时分复用网络系统，并用于实验。1996年又研发出了速率达到100Gbit/s的全光纤时分复用系统，并成功应用于实验。在1997年又有研发组织顺利完成了40Gbit/s的时分复用研究。1998年成功实现了长距离高速率时分复用传输实验系统，该系统的能够实现40Km640Gbit/s的信号传输。1999年又将上述系统的传输距离提升到100Km。进入2000年，实现了70Km传输距离1.28Tbit/s速率的单通道时分复用系统。2002年，发表了160Gbit/s的时分复用技术的新型传导元件和高速转换技术的相关文献。