完整word版光纖光柵解調(diào)儀設(shè)計方案報告

1、 光纖光柵解調(diào)儀設(shè)計方案報告 目錄 1 概述. 3 產(chǎn)品功能和用途 . 4 2技術(shù)要求3 . 4 技術(shù)方案 . 54 方案概述 . 4.1 5 產(chǎn)品組成和原理框圖 4.2 . 5 產(chǎn)品組成 . 5 4.2.1 原理框圖 .4.2.2 . 5 硬件設(shè)計 4.3 . 6 可調(diào)諧窄帶光源 . 64.3.1 波長校準(zhǔn) . 13 4.3.2 光電探測器模塊 . 4.3.3 16 數(shù)據(jù)采集與控制模塊4.3.4 . 18 其它光學(xué)器件 4.3.5 . 20 新技術(shù)、新材料、新工藝采用情況 4.4 . 23 關(guān)鍵技術(shù)的解決途徑 5. 23 波形同步循環(huán) .5.1 . 23 信號處理 5.2. 24 增加系統(tǒng)光

2、功率 5.3. 26 662. . 可行性分析 概述1 是與光纖光柵類傳感器配套的光纖光柵解調(diào)儀作為光纖光柵類傳感器的通用解調(diào)設(shè)備，波光纖光柵解調(diào)儀是對光纖光柵中心反射波長的微小偏移進行精確測量，不可或缺的設(shè)備。因此光纖光柵波長解調(diào)技術(shù)是實現(xiàn)光長解調(diào)技術(shù)的優(yōu)劣直接影響整個傳感系統(tǒng)的檢測精度， 纖光柵傳感的關(guān)鍵技術(shù)之一。 對橋梁的多物理量結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測光纖光柵光纖光柵光纖光柵振光纖光柵光纖光柵溫光纖光柵應(yīng)光纖光柵重索力計測力計壓力計動傳感器度傳感器變傳感器載車識別傳感網(wǎng)絡(luò)）SDM、TDM、（WDM光纖光柵解調(diào)儀（多通道）遠程實時監(jiān)測遠程實時監(jiān)測 圖1光纖光柵解調(diào)儀在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用 光纖光

3、柵解調(diào)儀在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測有著非常重要的作用，它將光纖光柵傳感器的波長信號解算出來，并傳送給計算機，計算機里的上位機程序?qū)⒏鞣N波長信號轉(zhuǎn)化為待測物理量的特征信號，即可對結(jié)構(gòu)實行實時的監(jiān)測。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，如圖1所示，傳感器為網(wǎng)絡(luò)中樹葉，解調(diào)儀為樹根，樹干為傳輸光纖。解調(diào)儀的通道數(shù)量決定了樹干光纖的芯數(shù)。多個解調(diào)儀即構(gòu)成的樹狀結(jié)構(gòu)組成了森林，該森林中樹的數(shù)量僅受到計算機局域網(wǎng)內(nèi)的IP地址限制。從一定程度上說，光纖光柵解調(diào)儀決定了一套結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的成本。 為了實現(xiàn)被測物理量的高精度測量，在過去的十多年里，相關(guān)科學(xué)家在光纖光柵傳感器技術(shù)的研究和應(yīng)用方面取得了突破性的進展，提粗了許多解調(diào)方法來檢

4、測光纖光柵中心波長的微小變化，比較典型的有：匹配濾波法、非平衡Mach-Zehnder（M-Z）干涉儀法，可調(diào)諧光纖光柵濾波器法、可調(diào)諧Fabry-Perot（F-P）濾波器法等，如表1所示。 表1 常用光纖光柵解調(diào)方法 解解調(diào)方法 基本原理 特點 適用場合 利用一個傳感光柵參優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單。分辨率較高靜態(tài)測量或缺點：自由譜范圍窄，對匹配 數(shù)一樣的匹配光柵來匹配光柵法 者低速測量 光柵要求高。濾波長 優(yōu)點：成本較低，有較好的線將波長變化轉(zhuǎn)化為光 實驗室性輸出。邊緣濾波器法 強變化 缺點：分辨率不是很高。分辨率高但是靈敏度和測量動態(tài)變量測將波長變化轉(zhuǎn)化為相范圍不容易調(diào)整，不穩(wěn)定且不干涉法 非平衡

5、M.Z 位變化 量 能復(fù)用體積小、靈敏度高、光能利用利用F-P腔的可調(diào)諧濾 腔法 工程應(yīng)用可調(diào)諧F-P 波作用 高、解調(diào)比較方便從表1可以看出，邊緣濾波法適用于實驗室環(huán)境使用，匹配光柵法自由譜范圍比較窄，不適合多通道的光纖光柵解調(diào)?；诳烧{(diào)諧F-P濾波器的解調(diào)原理可實現(xiàn)多通道同時解調(diào)，且在工程實際應(yīng)用中最多，本方案中的解調(diào)原理采用基于可調(diào)諧F-P濾波器的方法。 2 產(chǎn)品功能和用途 光纖光柵解調(diào)儀可用于對光纖光柵類傳感器的波長解算，并將解算出的波長信號傳輸給計算機，是作為光纖光柵類傳感器必需配備的產(chǎn)品。 光纖光柵解調(diào)儀可用于基于光纖光柵傳感器的各種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，如橋梁、大壩、航空航天、石油

6、化工等行業(yè)。光纖光柵解調(diào)儀也可作為光纖光柵類傳感器的解調(diào)設(shè)備，如光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵壓力傳感器、光纖光柵應(yīng)變傳感器等。 3 技術(shù)要求 a) 解調(diào)范圍：15301560nm b) 通道數(shù)：8通道 c) 掃描頻率：20Hz d) 精度：10pm 2pm 分辨率： e)f) 尺寸： 4 技術(shù)方案 4.1 方案概述 本方案的光纖光柵解調(diào)儀，采用基于可調(diào)諧F-P濾波器的可掃描窄帶光源和基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長校準(zhǔn)的解調(diào)原理。光纖光柵解調(diào)儀器主要由可掃描窄帶光源、波長校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集與掃描控制幾個模塊和一些光學(xué)輔助器件組成。光纖光柵解調(diào)儀可以解算出光纖光柵類傳感器的波長信息，是對光纖光柵類傳感器的一種

7、通用型解算設(shè)備。 4.2 產(chǎn)品組成和原理框圖 光纖光柵解調(diào)儀用于對光纖光柵類傳感器的解調(diào)。它主要由可掃描窄帶光源、波長校準(zhǔn)、光電轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集等幾部分組成。 4.2.1 產(chǎn)品組成 光纖光柵解調(diào)儀組成如表1所示。 表1 光纖光柵解調(diào)儀組成 名稱 組成 ASE光源 可掃描窄帶光源 可調(diào)諧F-P濾波器 相應(yīng)控制電路 F-P標(biāo)準(zhǔn)具 波長校準(zhǔn) 相應(yīng)算法 光纖光柵解調(diào)儀 光電轉(zhuǎn)換器 光電轉(zhuǎn)換器 相應(yīng)調(diào)理電路 NI6361數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集 光隔離器 可調(diào)光衰減其它器光耦合光分路器 原理框圖 4.2.2濾波器，在鋸齒波掃描電壓的作F-P 在本解調(diào)系統(tǒng)中，寬帶光源發(fā)出的光進入可調(diào)諧用下，不同波長的光信號周期性

8、地通過F-P濾波器，然后經(jīng)耦合器分成兩個支路。其中一路約90%的光經(jīng)耦合器入射到傳感光柵陣列中，陣列中所有光柵的布拉格反射波長必須全部在F-P濾波器的掃描范圍內(nèi)，并且每個光柵的反射波長都不相同，以避免信號串?dāng)_；另一路約10%的光則經(jīng)耦合器入射到F-P標(biāo)準(zhǔn)具中，該支路用來對可調(diào)諧F-P濾波器進行校準(zhǔn)，以消除可調(diào)諧F-P濾波器腔長漂移對測量精度造成的影響。在傳感光柵通道中，當(dāng)F-P濾波器的掃描波長與光纖光柵的反射波長一致時，光電檢測器探測到的光能量最大。此時，采集光電檢測器輸出的電信號，當(dāng)電信號最大時，記錄相應(yīng)的鋸齒波電壓，然后根據(jù)鋸齒波電壓與波長的關(guān)系可以得到反射波長的值，從而達到傳感信號解調(diào)的

9、目的。 W 最大功耗3 100×mm 70×19 尺寸SMF-28 尾纖類型FC/PC接頭類型或者 FC/APC 低電平報警報警信號 DC+3.3V，5A 電源0.0383 3dB帶寬 4000 標(biāo)準(zhǔn)精細度<2.5dB 插入損耗工作電壓 15V pF V=5V0.8 ，C 總電容f=1MHz RMHz BW V1000 =5V，f帶寬-3dB =1MHz，R=50 LRo2 通道數(shù) 8通道數(shù) 個差分或16個單端16位 ADC分辨率分辨率DAC位16 輸出功率 dBm 工作溫度 -40+70Couplesn32 10.013.0 耗散功率 100mw ASE Light

10、 SouceOptical attenuator90%正向電流 10mA Optical Tapping Element 光譜密度dBm/nm dB 光譜平坦度 dB 光譜穩(wěn)定性重量 尾纖長度 連接頭 貯存溫度 -55+701Channel 1Channel 2Channel -11-8 1.5 ±0.0005(15min) 53g 1m FC/APC 焊接溫度（時間） 260(10s) 3FFP-TF10%輸出功率短期穩(wěn)定性輸出功率長期穩(wěn)定性特性參數(shù)光敏面直徑光譜響應(yīng)范圍F-P Etalon dB dB 符號 測試條件 Channel nPotoelec tric conversi

11、on±0.005(15min) ±0.02(8h) 參數(shù)指標(biāo) 單位60 9001700 m nm 響應(yīng)時間擊穿電壓暗電流 模擬輸入Magnify and filterDriving voltage 工作溫度 存儲溫度相對濕度 RH 25功耗（）W 光學(xué)指標(biāo)工作波長范圍 C波段： 自由光譜范圍VOAT I V RBR IV=5VDR NI6361-20+60 -20+70 2080 1.0 1520nm1570nm 143.6nm 1 45 =10A W 1.0 P，=0in模擬輸出 Computer(LabView)ns V nA Electri lineOptical l

12、ine 圖2 光纖光柵解調(diào)儀原理圖 4.3 硬件設(shè)計 可調(diào)諧窄帶光源 4.3.1 在光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中，光源的性能決定了整個系統(tǒng)內(nèi)光信號的強度和其他重要參量，而且對系統(tǒng)的成本影響非常大，甚至在相當(dāng)程度上決定了系統(tǒng)的成本和性能。由于光纖光柵的中心波長是整個傳感系統(tǒng)中的待測變量，這就要求光源的光譜范圍要足夠?qū)?，能夠包含盡可能多的傳感器的波長及其變化范圍，還要求光源的輸出功率強，性能穩(wěn)定，這樣才能滿足分布式傳感網(wǎng)絡(luò)中多點測量的要求。因此方案中所用的光源必須功率大、波段寬。常用經(jīng)濾波后光電但所測光纖光柵的光譜在整個光譜中所占的范圍小，的寬帶光源光譜范圍寬，探測器探得的光功率信號較微弱，容易湮沒在系

13、統(tǒng)噪聲和回光反射中，導(dǎo)致信號缺失，系統(tǒng)信噪比因此降低。本方案采用可調(diào)諧窄帶光源，由放大自發(fā)輻射光源（ASE）和可調(diào)諧F-P濾波器組合而成。原理如圖3所示。 dB（窄帶光）光源ASE腔F-P（寬帶光）)(t)(t(t)(t22n3113nVvH壓電陶瓷h (t)、h (t) 、h (t) .h (t) nn3n23211 v3v2Tv1 tt t t可調(diào)諧F-P濾波器驅(qū)動電路n231 可調(diào)諧窄帶光源原理圖3可調(diào)諧F-P腔控制模塊產(chǎn)生周期性的鋸齒波電壓，該電壓加在可調(diào)諧F-P濾波器上，可調(diào)諧F-P濾波器的腔長隨著鋸齒波電壓周期性的變化，可調(diào)諧F-P濾波器的不同腔長對應(yīng)著不同的波長值。因此ASE光源

14、發(fā)出的寬帶光中只有波長與可調(diào)諧F-P濾波器腔長匹配的光能通過可調(diào)諧F-P濾波器，且在每一個時刻只能有一個確定波長值的能經(jīng)過可調(diào)諧F-P濾波器。 4.3.1.1 ASE光源 光源是構(gòu)成解調(diào)儀的一個極為重要的元器件，光源和可調(diào)諧F-P濾波器共同構(gòu)成解調(diào)儀的可掃描激光光源。光源的功率對后續(xù)信號的功率的大小有著重要的作用，其性能決定了解調(diào)儀的壽命。 光源特性對光纖系統(tǒng)性能有著重要的影響。針對已經(jīng)確定的可調(diào) F-P 濾波器參數(shù)，選擇系統(tǒng)的光源主要從以下幾個基本方面考慮： （1）輻射頻譜特性。光源輻射的頻譜特性應(yīng)與光纖波導(dǎo)的傳輸頻響特性匹配。在波長為 1527nm1565nm的區(qū)域內(nèi)，傳輸損耗較低，能滿足

15、不同的系統(tǒng)要求。 （2）電光轉(zhuǎn)換特性。施加于光源的電偏置對光輸出有直接影響。通常，輸出功率值隨電激勵的增加而增加，器件的溫度也隨電激勵的增加而升高。對于大多數(shù)電光變換器來說，非恒溫的輸出光功率比恒溫的稍低；此外，溫度的變化還會引起輻射波長漂移。對于半導(dǎo)體發(fā)光器件，這可能是由于能帶間隙隨溫度產(chǎn)生微小變化引起的。光源輸出強度和頻率通常都是電偏置的函數(shù)，同時也會受到環(huán)境溫度等因素的影響。 ）輸出功率特性。對于一個帶有光纖輸出的光源，要求從光纖終端射出的光通量為3（最大。這個量的大小取決于光源的功率和射入光纖的光通量。射入光纖的光通量與光源和光纖的耦合效率以及光源的亮度有關(guān)。從外部特性考慮時，出纖功率

16、則是衡量輸出功率特性的最重要的指標(biāo)之一。 該系統(tǒng)中選用的光源為深圳浩源光電有限公司的ASE光源模塊，該光源具有高功率、平坦度優(yōu)，波長覆蓋范圍廣，光譜、光功率穩(wěn)定性好、電功率損耗低等特點。參數(shù)如表2所示。 表2 ASE光源模塊參數(shù) 參數(shù) 單位 15271565 nm 工作波長 所示。4，平坦度好，如圖0.01w0.02w，即為10 dBm 13dBm該光源功率為 光源光譜圖圖4 ASE 濾波器 可調(diào)諧F-P4.3.1.2反射鏡 腔F-PL2L1 H壓電陶瓷 5 F-P腔結(jié)構(gòu)圖從光纖入射的光經(jīng)在一定波長范圍內(nèi)，F(xiàn)-P 腔結(jié)構(gòu)如圖5所示，濾波器的可調(diào)諧 F-P 腔，在兩個具有高反射率的平行反射鏡之間

17、產(chǎn)生多光束F-P L1準(zhǔn)直變成平行光進入 透鏡 腔的兩個高反射鏡中一個固定，聚焦匯聚到探測器上。構(gòu)成 F-P 干涉，出射光經(jīng)透鏡L2腔腔長的伸長量與所加驅(qū)動電另一個在外力的作用下可以移動，且背面貼有壓電陶瓷。F-P 壓電陶瓷將產(chǎn)生伸縮，從而可以改變壓成正比，當(dāng)給壓電陶瓷施加一個鋸齒波掃描電壓時，腔的透射光波長發(fā)生變化，實現(xiàn)對透射光波長可調(diào)諧的目的。表征F-P 腔的腔長，使F-P ）。Finesse（）和帶寬（精細度）（F-P可調(diào)諧濾波器性能的參數(shù)主要有自由光譜范圍FSR、濾波器必須具備以下幾個基本的要求：首先，每一次只能有一條分離的譜線F-P可調(diào)諧腔腔長變化范圍內(nèi)，要讓 F-P 被通過，譜線的

18、寬度要足夠小，不能太寬；其次，在可調(diào)的而應(yīng)該相對簡腔長隨時間變化的函數(shù)關(guān)系不應(yīng)該太復(fù)雜，另外，所有的光譜都能依次通過；單些，最好是線性的，這樣有助于控制 F-P 腔的腔長，從而簡化后續(xù)計算；最后，應(yīng)該考慮到，在實際的光纖光柵傳感器系統(tǒng)中，所用寬帶光源的出纖功率一般都比較小。因此，如果每一次通過可調(diào)諧 F-P 濾波器的光譜寬度趨于無窮小，則每次通過濾波器的光強會很弱，這樣在光電探測部分所得到的光強也會很弱，這會增大后續(xù)信號處理的難度。若增加可調(diào)諧F-P濾波器的光譜帶寬，則每次通過濾波器的光強會增強，但會降低分辨率。 對此，本方案中建立了光譜的高斯數(shù)學(xué)模型，并進行了仿真，如圖6圖8所示，給出了帶寬

19、為0.2nm的光纖光柵傳感器與帶寬分別為0.01、0.17、0.25nm的可調(diào)諧F-P濾波器的關(guān)系。左邊的圖表明了可調(diào)諧F-P濾波器帶寬與輸出光強的關(guān)系，右邊的圖標(biāo)明了可調(diào)諧F-P濾波器與光纖光柵傳感器的分辨率的關(guān)系。 0.01nm 濾波器帶寬為可調(diào)諧圖6 F-P 0.17nm 濾波器帶寬為F-P可調(diào)諧7圖 0.25nm 濾波器帶寬為可調(diào)諧F-P圖8 濾波器帶寬和光纖光柵傳感器帶寬的卷積，即F-P光電探測器所檢測到的光強是可調(diào)諧濾波器的帶寬越大，F(xiàn)-P為上述左側(cè)圖中紅色包絡(luò)線和藍色包絡(luò)線的重疊部分，可看出可調(diào)諧光強越大。當(dāng)光纖光柵傳感器的波長發(fā)生相同的偏移時，如上述圖中的右圖所示，可調(diào)諧這容易

20、漏F-P濾波器的光譜個數(shù)就越少，F(xiàn)-P濾波器的帶寬越寬，能通過偏移量之間的可調(diào)諧因此有必要在濾波器輸出光譜寬度和系統(tǒng)的輸出掉某些波長值，導(dǎo)致分辨率和精度的降低。 光強和分辨率之間尋找一個平衡點。 濾波器參數(shù)可調(diào)諧表3 F-P 9mw 輸入功率 電器特性18V /FSR 調(diào)諧電壓 電容3.0F90V/ms 回歸速率800Hz 循環(huán)速度1FSR 最大調(diào)諧電壓 70V 環(huán)境條件-2080工作溫度 18V /工作溫度 電壓變化 /工作溫度插損變化0.5dB （取決于FSR） 插損變化/振動 0.5dB 機械特性57.2 25.8×尺寸 13.5×目前所研發(fā)的光纖光柵傳感器的中心波長

21、均包括在C波段范圍內(nèi)，通常布拉格光纖光柵的中心波長帶寬為0.2nm，為了保證信噪比和分辨率，因此所選用的可調(diào)諧F-P濾波器的帶寬應(yīng)該小于0.2nm。根據(jù)上述仿真，結(jié)合所選的器材，該方案所用的可調(diào)諧F-P濾波器是美國的Micron Optics公司基于全光纖F-P標(biāo)準(zhǔn)具技術(shù)的特殊的可調(diào)諧濾波器，它允許波長跟F-P腔長度有倍數(shù)關(guān)系的光通過，而其他波長的光按愛里函數(shù)衰減，其帶寬為0.0375nm，具體參數(shù)如表3所示。 根據(jù)上表參數(shù)，該可調(diào)諧F-P濾波器的精細度為4000，帶寬為0.0375nm，由此對于該的可調(diào)諧F-P濾波器和光纖布拉格光柵的光強和分辨率進行仿真如圖9所示。根據(jù)仿真的效果，該型號的可

22、調(diào)諧F-P濾波器可滿足系統(tǒng)的要求。 圖9 可調(diào)諧F-P濾波器帶寬為0.0375nm 4.3.2 波長校準(zhǔn) 由于外界環(huán)境的影響以及 F-P 濾波器自身的非線性，往往會帶來測量誤差，特別是 F-P 濾波器由于壓電陶瓷的遲滯性會引起系統(tǒng)測量的重復(fù)性誤差，以致影響系統(tǒng)的測量精度。 根據(jù)形成干涉的條件，當(dāng)入射光波長等于調(diào)諧波長時，透射光光強達到極大值。TF-P 腔的調(diào)諧波長可以表示為： 2nh? Tm（1） 式中：nF-P腔的兩平行反射鏡之間介質(zhì)的折射率； h F-P腔的腔長； m為整數(shù)。 由式(1)可知，通過改變F-P腔的腔長h或介質(zhì)折射率n，可以使調(diào)諧波長產(chǎn)生變化，T利用這個特性可以對FBG傳感器的

23、反射波長進行解調(diào)。可調(diào)諧F-P濾波器的腔長PZT控制。給PZT施加鋸齒波掃描電壓，在每一個掃描周期內(nèi)，使得 F-P 腔的腔長隨調(diào)諧電壓線性變化，即： h?kv?h0（2） 式中： h施加電壓后F-P腔的腔長； 常數(shù)；k 調(diào)諧電壓；v F-P腔的原始腔長。未加電壓時h0 可得：(1)將式(2)代入式2nhnkv2?0? T（3）mm從式(3)可知：當(dāng)調(diào)諧電壓 V 變化時，F(xiàn)-P腔的調(diào)諧波長 隨著V線性變化。當(dāng)F-PT腔的調(diào)諧波長與光纖光柵布拉格波長重合時，光電檢測器檢測到最大光強，記錄此BT時的調(diào)諧電壓值，然后根據(jù)標(biāo)定好的鋸齒波電壓與布拉格波長的關(guān)系，就可以唯一確定傳感 光柵的布拉格波長，可以表

24、示為：2nhnkv2?0? B（4）mm由于 F-P 腔的結(jié)構(gòu)和物理特性，h會隨溫度的變化而變化，即 h是一個隨溫度變化的00變量，這就導(dǎo)致光纖光柵的Bragg波長測量結(jié)果產(chǎn)生誤差，從而影響系統(tǒng)測量精度。為了消除這種影響，本方案中的解調(diào)系統(tǒng)中引入了參考光柵。設(shè)參考光柵的波長為，且固定不0變，則由式(4)決定與驅(qū)動電壓V的關(guān)系，即： 002nkv2nh?00? 0（5）mm (5)相減可得：將式(4)與式2nk?v)(v? 00B（6）m由式(6)可以看出，傳感光纖光柵的Bragg波長與可調(diào)諧F-P濾波器的原始腔長無關(guān)。只要參考光柵的波長保持不變，腔長漂移對最后的測量值將不會產(chǎn)生影響。由此可見，

25、引入?yún)⒖脊鈻趴梢杂行У叵?F-P 濾波器腔長漂移引起的測量誤差。 解調(diào)器的波長校準(zhǔn)是定量檢測的基礎(chǔ)，校準(zhǔn)的結(jié)果直接影響到測量精度。本方案中采用F-P標(biāo)準(zhǔn)具，作為波長校準(zhǔn)的參考光柵。F-P標(biāo)準(zhǔn)具可輸出一系列波長固定、功率相近的波峰值，如圖10所示，因此F-P標(biāo)準(zhǔn)具也稱為梳妝濾波器。 10 F-P圖標(biāo)準(zhǔn)具的梳妝波形標(biāo)準(zhǔn)具的梳妝波標(biāo)準(zhǔn)具。即在F-PF-PmarkF-P本方案中選擇的標(biāo)準(zhǔn)具，是帶有點的 所示。11形中有一缺失固定波長值，如圖 F-P標(biāo)準(zhǔn)具圖11 mark點的即是上文中所提及的參考波長值。點缺失的波長值，它將作為我們的定標(biāo)波長，在mark點的波長標(biāo)準(zhǔn)具輸出一系列固定的波長峰值，覆蓋整個

26、傳感光柵的波長范圍，由markF-P波長和對應(yīng)的掃描電壓近標(biāo)準(zhǔn)具每個波峰的波長。在較小的輸出區(qū)間內(nèi)，值可以計算出F-P 12所示。似呈線性關(guān)系，如圖 UU1?nUSUn?sn1n? 波長和掃描電壓的關(guān)系圖12 波長及其光譜峰值Bragg 標(biāo)準(zhǔn)具的波長與掃描電壓近似呈線性關(guān)系。通過光柵的 F-P從而通過傳感光柵的光可以建立波長與掃描電壓的對應(yīng)關(guān)系式，所對應(yīng)的掃描電壓的關(guān)系，分別表示待測傳感光柵兩和譜峰值波長所對應(yīng)的掃描電壓計算出其峰值波長。圖中n+1n s表示待測傳感光柵的波長。側(cè) F-P 標(biāo)準(zhǔn)具輸出的峰值波長，給出的幾何關(guān)系，即圖中陰影部分的兩個三假設(shè)鋸齒波掃描電壓是線性的，根據(jù)圖12 為：B

27、ragg 波長角形相似，可以得到傳感光柵的 sU?U?ns?() nn1ns?）7（UU?sn?1 所示。4，參數(shù)如表AFPI-100標(biāo)準(zhǔn)具為F-P該方案中選擇的 4 F-P標(biāo)準(zhǔn)具參數(shù)表 7 精細度<3dB 插入損耗 5% ±100GHz自由光譜 ，<±3GHz <熱穩(wěn)定性 ±1.5GHz15251565nm 工作波長范圍 070工作溫度 30×12.7 尺寸×10mm 光電探測器模塊 4.3.3一個完整的光纖傳感系統(tǒng)包含光波產(chǎn)生與調(diào)制、傳輸、探測及解調(diào)等部分。其中光纖的探測是由光電探測器完成的。 4.3.3.1 光電探測器

28、光電探測器在該系統(tǒng)中用于將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，光電探測器分別位于傳感光路和F-P標(biāo)準(zhǔn)具的后端，如圖13所示。 ASETTF-P3dB10%90%光分路器F-P EatlonSensor 8PD3dBPD 圖13 光電探測器在解調(diào)系統(tǒng)中的位置 選擇解調(diào)系統(tǒng)中的光電探測器主要考慮的光電探測器要求有以下幾點： （1）工作波長范圍應(yīng)當(dāng)與寬帶光源波長范圍一致； （2）具有足夠高的靈敏度與較低的噪聲； （3）工作電壓低，便于搭建便攜的系統(tǒng)； （4）探測器模塊內(nèi)置放大電路，降低對低噪聲前放的要求。 最終到達光電二極管的光強已經(jīng)比各個光學(xué)器件對光強的損耗，由于光源功率的限制，較微弱?？烧{(diào)諧F-P濾波器的輸入功

29、率為9mw，插入損耗為2.5dB左右，帶寬為0.0375nm；光源帶寬為38nm，假設(shè)光源均勻平坦；光耦合器為3dB，其中90%的光分給光纖光柵傳感器，10%分給F-P標(biāo)準(zhǔn)具，光分路器為1×8，損耗為11dB，光纖光柵的反射率為80%。則光纖光柵傳感器處輸出功率為8×（0.0375/38）/1.78×0.5×0.9/8×0.1×0.8=22.5nw，F(xiàn)-P標(biāo)準(zhǔn)具處的輸出功率為9×（0.0375/38）/1.78×0.5×0.1×0.5=997nw。 光電探測器選用中電44所研制的GT322D型I

30、nGaAs探測器。該產(chǎn)品具有噪聲低、工作頻率高、可靠性高等優(yōu)點，適用于光纖通信、光纖傳感、快速光脈沖檢測等應(yīng)用，其參數(shù)如表5、表6所示。 表5 GT322D光電探測器最大額定值 表6 GT322D光電探測器光電性能參數(shù) R A/W P=10W響應(yīng)度 0.85 ，=1.55m ineVs 線性飽和功率閾值 5 =5V，mW =1.55m R=1.55 Om， 光回波損耗=100W 30 dB eRL=1.55I0.5 dB m 光輸入損耗，W =100eRL 4.3.3.2調(diào)理電路各種噪聲的干擾直接影響有用信號的測量精因光纖末端輸出的光信號通常是很微弱的，快的度，小的附加噪聲、這就要求光檢測器在

31、所用光源的發(fā)射波長范圍內(nèi)具有高的響應(yīng)度、與探測器相連的前置放大電路也應(yīng)當(dāng)設(shè)另外，響應(yīng)率有能處理需要的數(shù)據(jù)率的足夠的帶寬。計合理，以獲得大的動態(tài)范圍和高的信噪比。如圖14，調(diào)理電路的示意圖： 光電檢測電路調(diào)零電路濾波電路放大 14 調(diào)理電路示意圖(1)光電檢測電路 光電檢測電路由光電轉(zhuǎn)換器的技術(shù)文檔給出，如圖15所示。 15 GT322D光電轉(zhuǎn)換器應(yīng)用電路圖 (2)調(diào)零電路相由于光電檢測電路有個較大的基值，當(dāng)變化太小，調(diào)零電路用來在檢測動態(tài)信號時，會有放大器飽和、損壞數(shù)據(jù)采集卡等情況不容易檢測，如果放大倍數(shù)過大，對變化太小了， 出現(xiàn)，對檢測帶來難度，所以需要設(shè)計調(diào)零電路。 放大電路(3)以獲得較

32、好前置放大為預(yù)放大探測器的輸出信號，放大電路分為前置放大和次級放大。次級放大主要是考慮到前置放大倍減少信號傳輸中的干擾。的信號噪聲比，進行阻抗變換，加信號經(jīng)前置放大后幅值仍然比較小，數(shù)不宜于過大，不能很好的被數(shù)據(jù)采集卡采集處理， 上次級放大，可以較靈活的調(diào)整信號幅值，便于系統(tǒng)的靈活使用。 4）濾波電路（微弱模擬信號在得到我們想要的比較干凈的信號。濾波用來把有用信號中的噪聲濾去，有必要對微弱的模因此，放大的過程中會受到干擾，使傳送中的信號幅值或相位發(fā)生畸變， 擬信號做濾波處理。 數(shù)據(jù)采集與控制模塊4.3.4數(shù)據(jù)采集模塊主要是采集光電轉(zhuǎn)換的信號，并且進行模數(shù)轉(zhuǎn)換?？刂颇K用于對可調(diào)諧 的鋸齒波波形

33、。18V，幅值為20Hz濾波器的控制?？刂颇K需要能產(chǎn)生頻率為F-P4.3.4.1 數(shù)據(jù)采集 本方案中采用NI6361型號數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡帶有分辨率為16位的模擬輸出和輸入端口，可同時進行數(shù)據(jù)采集和對調(diào)諧F-P濾波器的控制。NI6361的參數(shù)如表7所示。 數(shù)據(jù)采集設(shè)備的模擬輸出端口可定義成為一個任意波形發(fā)生器，其波形函數(shù)由軟件定義；模擬輸入端口可定義為一個示波器，其采樣頻率和帶寬由數(shù)據(jù)采集設(shè)備的硬件性能決定，示波器界面在軟件中顯示。將數(shù)據(jù)采集設(shè)備的模擬輸出端和模擬輸入端連接起來，即可以實現(xiàn)一個波形發(fā)生器和一個示波器的功能。 在系統(tǒng)解調(diào)范圍內(nèi)35nm，可調(diào)諧F-P濾波器的分辨率約為35pm，

34、則在鋸齒波的每個掃描周期內(nèi)采樣的次數(shù)要大于1000次，若鋸齒波的掃描頻率為20Hz，且我們只使用掃描信號的上升沿來檢測信號，可以計算采樣周期應(yīng)該滿足： 1351?s5?T 203500010（8） 及采樣頻率大于0.2MHz，該型號數(shù)據(jù)采集卡滿足系統(tǒng)需求。 當(dāng)需要同時檢測8個傳感通道和1個參考通道的光纖光柵，在掃描周期內(nèi)（0.05s）的數(shù)據(jù)量為： （8+1）×1000×10=0.09M（9） 即每秒要采0.09M×20=1.8M 表7 NI6361數(shù)采卡參數(shù) 1LSB ±DNL （單）2.00MS/s 最大值 16保證（多）1.00MS/s 單調(diào)性位2.

35、86MS/s 個通道：1最小值 無 采樣率 最大更新率2.00MS/s 個通道：2 采樣率定時精度 50ppm/和±外部5V±定時分辨、10V± 輸出范圍10ns 率 參考穩(wěn)定時間，全±、5V、10V±±2V±1V±、0.5V15ppm(1LSB):2us 輸入范圍 量程變化 、0.1V、±0.2V±輸入FIFO工作波長（nm） 12601650 典型值 10.3 ）插入損耗（dB10.7/11.0 最大值55 dB） 方向性（1.2 光纖長度SMF-28e 光纖類型 康寧0.2 典型值 ）波長

36、相關(guān)損耗（db0.3 最大值0.3 典型值 db）穩(wěn)定性（-4085）（0.5 最大值0.3 溫度穩(wěn)定性 典型值 0.5 最大值 -4085 工作溫度 ±nm 帶寬 20 1050 % 耦合比個采樣 邊沿斜率：20V/us 4095單位 容量1*8光分路器型號 項目 指標(biāo) 控制模塊4.3.4.2腔的腔長，濾波器通過壓電陶瓷精確移動兩個平面鏡的間距，控制改變F-P可調(diào)諧F-P濾波F-P從而實現(xiàn)濾波器帶通窗口的調(diào)諧，因此需要利用精密的連續(xù)電壓才能實現(xiàn)對可調(diào)諧由上述數(shù)據(jù)采集設(shè)備的模擬輸出端口以及相應(yīng)的電路來實現(xiàn)對在本系統(tǒng)中，器的調(diào)諧控制。，可輸出周期性電壓信號，可調(diào)諧光+10V -10腔的

37、調(diào)諧。模擬輸出電壓的變化范圍為F-P。因此，需要在數(shù)采卡的后端設(shè)計相應(yīng)電路，將輸出的電壓轉(zhuǎn)0 18V濾波器的調(diào)諧電壓是 18V的鋸齒波電壓?；癁? 其它光學(xué)器件4.3.54.3.5.1 光分路器 光分路器用于將可調(diào)諧窄帶光平均分成8路，以實現(xiàn)多通道解調(diào)的目的。光分路器可將光路均分為多份，與光開關(guān)相比，它可以使得系統(tǒng)同時解調(diào)多路通道的傳感器，而不存在通道的切換時間，可以提高解調(diào)的速率。本方案中的光分路器選用北京康寧普天的1*8光分路器，參數(shù)如表8所示。 圖16 1*8光分路器 表8 光分路計參數(shù) 加連接 -4085 存儲溫度 光衰減器 4.3.5.2，濾波器的輸入功率為9mwF-P1020mw1

38、3dBm10dBm光源的功率為，即，可調(diào)諧因此需要在二者之間加入一個光衰減器，光源的功率大于可調(diào)諧F-P濾波器的最大輸入功率，光衰減器的衰減系數(shù)濾波器可接受的功率范圍。將光源的光功率衰減到可調(diào)諧F-P經(jīng)計算，因此本方案中選擇了上北京安瑞泰通訊技術(shù)公司的連續(xù)可調(diào)光衰減器，如圖4.3dB要大于 所示。9所示，性能參數(shù)如表16 16 連續(xù)可調(diào)光衰減器圖 光衰減器參數(shù)9 表 附加損耗接口類型工作波長 調(diào)節(jié)范圍腔體 FC/PC 1330/1550nm <0.3dB 530dB 鋁外殼 0 光耦合計 4.3.5.3本方案中需用耦光耦合計用于光器件之間的連接，是一種非常常用和普通的光學(xué)器件。 50:5

39、0和合比為10:90的耦合器數(shù)個。 圖17 光耦合器 表10 光耦合器參數(shù) 1550nm中心波 0.15 典型附加損耗dB 40± 工作溫度 80 4.4 新技術(shù)、新材料、新工藝采用情況可增加可調(diào)窄帶光源是基于可調(diào)諧每次只有一個波長值的光輸出，F(xiàn)-P濾波器的原理，標(biāo)準(zhǔn)具原理，利用這種帶有參考點的校準(zhǔn)方式，系統(tǒng)的分辨率和精度；波長校準(zhǔn)是基于F-P 可以使實時的校準(zhǔn)精度達到皮米級別。 關(guān)鍵技術(shù)的解決途徑5 波形同步循環(huán)5.1 濾波器通帶的位置，以及通過的光功率。在該系統(tǒng)中，必須確保證準(zhǔn)確記錄可調(diào)諧F-P，精細度為18V，40000可調(diào)諧F-P濾波器通帶窗口的位置由調(diào)諧電壓確定，其調(diào)諧電壓

40、為位，其輸出電壓的。數(shù)據(jù)采集設(shè)備模擬輸出端口的分辨率為164.5mV故所需調(diào)諧分辨率為，低于光濾波器調(diào)諧分辨率二個數(shù)量級，可以滿足濾波器對調(diào)諧電壓0.01mV最低有效位為濾波為了準(zhǔn)確獲得與可調(diào)諧精度的需求。F-P濾波器通帶對應(yīng)的光功率值，需要可調(diào)諧F-P 器的通帶窗口步進與探測器的功率采集同步進行。 AOAO模擬輸出FIFOFIFOPCI通道虛擬AO總線AI樣本時鐘虛擬AI通道AIAI模擬輸入FIFOFIFO 圖18 波形同步循環(huán)測試原理 波形同步循環(huán)測試實驗原理如圖18所示。計算機在內(nèi)存中開一片AO FIFO，并在其中存儲需要輸出的波形；波形數(shù)據(jù)經(jīng)過PCI總線進入數(shù)據(jù)采集設(shè)備上的AO FIF

41、O；數(shù)據(jù)采集設(shè)備按照設(shè)備上AO FIFO中的數(shù)據(jù)依次更新模擬輸出端口；數(shù)據(jù)采集設(shè)備將模擬輸入端口中讀取數(shù)據(jù)并存AI FIFO計算機從數(shù)據(jù)采集設(shè)備的中；AI FIFO采集到的數(shù)據(jù)存入設(shè)備上的入內(nèi)存中，等待進一步處理或存儲。由計算機上的AO FIFO開始，一直到數(shù)據(jù)采集設(shè)備的模擬輸出端口為止構(gòu)成一個虛擬輸出通道；由數(shù)據(jù)采集設(shè)備的模擬輸入端口開始，一直到計算機上的AI FIFO為止構(gòu)成一個虛擬輸入通道。一個虛擬數(shù)據(jù)通道包含了相關(guān)的所有軟硬件。所以，可以認為數(shù)據(jù)從計算機上的AO FIFO經(jīng)過一個虛擬輸出通道由模擬輸出端口輸出；模擬輸入端口采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過一個虛擬輸入通道進入計算機上的AI FIFO。虛

42、擬數(shù)據(jù)通道的所有工作都由設(shè)備驅(qū)動程序NI-DAQmx控制完成，對于用戶來說是完全透明的。數(shù)據(jù)采集設(shè)備上的模擬輸出和模擬輸入使用兩個不同的 DMA 通道，NI-DAQmx 控制兩個通道完成時間輪換。這樣，PCI總線一直處于“偽全雙工”的工作狀態(tài)。由于數(shù)據(jù)采集設(shè)備上 FIFO 的存在，使得模擬輸出、模擬輸入端口的數(shù)據(jù)流連續(xù)不斷。對于計算機來說，AO FIFO中的數(shù)據(jù)不斷輸出，AI FIFO不斷有數(shù)據(jù)輸入，形成了一個穩(wěn)定、無間斷的數(shù)據(jù)鏈路。數(shù)據(jù)采集設(shè)備上的模擬輸出和模擬輸入端口使用相同時鐘信號，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)同步輸出與采集。 5.2 信號處理 數(shù)據(jù)采集卡采集到的傳感信息只是一組離散的數(shù)據(jù)點，信號處理的關(guān)鍵是將離散數(shù)據(jù)點與外界參量信息變化量建立合理的聯(lián)系。為了降低噪聲的