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基于FPGA的光纤光栅解调系统研究

作　者: 赵一柱
导　师: 万生鹏
学　校: 南昌航空大学
专　业: 仪器仪表工程
关键词: 光纤光栅传感解调光纤F-P腔 FPGA
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

自20世纪60年代以来，随着光通信技术的发展，光纤工艺和技术不断发展，光纤传感技术逐渐引起人们的重视，并成为传感领域的一个重要研究方向。光纤光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）传感器是光纤传感器里面的一种新的类型，它具有很多常规传感器难以比拟的优良特性，如光纤光栅传感具有电气绝缘、抗电磁干扰、耐酸碱腐蚀、体积小重量轻、灵敏度高等优点，有望在大型土木工程结构、航空航天、能源化工、电力监测、石化等领域获得广泛应用。波长解调是光纤光栅传感的核心技术，与系统的灵敏度、精度和动态性密切相关，是光纤光栅传感领域的重要研究方向之一。论文主要分析了目前国内外光纤光栅传感技术的发展趋势，并设计实现了基于FPGA和F-P腔（法布里-珀罗腔）的光纤光栅解调系统，并实现了温度、应力等待测信号的解调工作。本文首先分析介绍了光纤光栅传感的基本原理与解调方法，研究了基于可调谐光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot，F-P）滤波解调法的光纤光栅解调系统的基本原理，在此基础下，设计了一套基于FPGA和F-P腔的光纤光栅解调系统。该系统包括FPGA系统主控模块、可调谐光纤F-P腔驱动模块、信号采集模块以及数据传输发送四个部分。最后对设计的可调谐光纤F-P腔驱动电路进行了实验，验证了设计的正确性；给出了数据采集电路的拟合结果。本文所做的工作主要有以下几点：1.分析了基于FPGA和F-P腔的光纤光栅解调系统的组成，并对系统中选用的关键性器件如：宽带光源、FP腔和光电探测器等的原理和特性进行了介绍，并对器件的主要性能指标进行了相关测试。2.针对系统选用的F-P腔，在充分了解其电气特性的基础上，设计了其基于FPGA的驱动控制电路；此控制电路具有成本低、结构简单且容易实现等特点。文中给出了其详细的设计思路和具体电路、代码等，并结合实验，验证了此控制电路完全可以实现对F-P腔驱动扫描的任务。3.文中还分析了光纤光栅解调系统中信号采集的原理特点，并根据整个系统的采集任务需要，设计了基于FPGA的光纤光栅信号采集系统；其主要包括采集电路、基于FPGA的主控电路、数据传输电路及相应的软件设计等。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第1章绪论  10-15
  1.1 引言  10
  1.2 光纤光栅及其传感技术的发展动态  10-13
    1.2.1 国外光纤光栅解调技术的研究现状  11-12
    1.2.2 国内光纤光栅解调技术的研究现状  12-13
  1.3 课题研究的目的和意义  13
  1.4 本论文主要研究内容和结构安排  13-15
第2章光纤光栅传感的基本原理及其解调方法  15-27
  2.1 光纤光栅传感的基本原理  15-18
    2.1.1 光纤光栅的理论模型  15-17
    2.1.2 光纤光栅传感技术原理  17-18
  2.2 光纤传感解调技术  18-26
    2.2.1 光谱成像解调技术  19
    2.2.2 扫描滤波解调技术  19-24
    2.2.3 边沿滤波解调  24-26
  2.3 本章小结  26-27
第3章基于 FPGA 的光纤光栅解调系统设计  27-35
  3.1 系统总体解调方案  27-28
  3.2 系统光源选择  28-30
  3.3 光纤 F-P 可调谐滤波器的性能指标  30-32
  3.4 光电探测器原理  32-34
  3.5 本章小结  34-35
第4章光纤可调谐 F-P 腔驱动电路设计  35-48
  4.1 光纤可调谐 F-P 腔驱动电路设计  35-39
    4.1.1 DAC0832 芯片介绍  37-38
    4.1.2 LM324 介绍  38-39
  4.2 现场可编程逻辑门阵列（FPGA）简介  39-47
    4.2.1 FPGA 的开发软件和设计流程  41-42
    4.2.2 基于 FPGA 设计的可调谐 F-P 腔控制电路  42-47
  4.6 本章小结  47-48
第5章基于 FPGA 的光纤光栅解调系统的信号采集设计  48-67
  5.1 采集系统任务分析  48-49
  5.2 信号采集设计原理及相应 AD 芯片介绍  49-51
  5.3 系统总体硬件设计  51-55
    5.3.1 AD 采集电路设计  52-53
    5.3.2 数据存储器 FIFO 设计  53-55
    5.3.3 USB2.0 专用处理芯片 CH376  55
  5.4 主控电路设计  55-62
    5.4.1 NiosII 软核处理器介绍  56
    5.4.2 Avalon 总线介绍  56-57
    5.4.3 软件开发流程与方法  57-58
    5.4.4 SOPC Builder 介绍  58-59
    5.4.5 主控电路模块设计  59-62
  5.5 软件设计及实现  62-66
  5.6 本章小结  66-67
第6章总结和展望  67-68
参考文献  68-70
附录  70-73
攻读硕士学位期间发表论文及参与科研情况  73-74
致谢  74

基于FPGA的光纤光栅解调系统研究

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