关注官方微信

基于DSP的光纤光栅解调系统的研究

日期:2017年06月09日

《信息记录材料》杂志社官方网站            www.xxjlclzzs.com       论文发表于 《信息记录材料》杂志社


基于DSP的光纤光栅解调系统的研究

赵亚丽

承德石油高等专科学校 工业技术中心  <河北省仪器仪表工程技术研究中心>河北承德067000

 要:提出一种基于DSP和可调谐法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)滤波器的分布式光纤光栅解调方案。DSP产生锯齿波驱动电压,控制F-P滤波器将宽带光源发出的光形成窄带扫描光源,再由DSP进行数据采集和处理得到解调波长,阐述了解调系统的软硬件设计。

关键词:光纤光栅;解调;DSPF-P

中图分类号: TN253  文献标识码: A

光纤光栅作为近几年应用最广泛的无源光器件之一,在石油石化、电力、建筑等领域迅速发展。它具有抗电磁干扰、耐腐蚀、抗氧化、传输距离远、稳定性好等其他传感技术无法比拟的优势。其工作原理是当光纤光栅受到压力、温度等外界环境的影响时,其中心波长会发生相应的变化,通过对其中心波长的监控与解调就可以得到被测物理量。但是,光纤光栅传感信号的解调限制了光纤光栅传感器在实际工程中的广泛应用,因此开发结构简单、成本低、满足工程应用的解调系统引起了人们的广泛关注。目前,国内外的专家学者们提出了诸如体滤波器法、长周期光纤光栅法、可调谐F-P腔滤波器法、CCD阵列成像法、阵列波导光栅法、波分复用器法、匹配光纤光栅法、边缘滤波器法等多种解调方法[1-3],其中基于可调谐F-P滤波器的解调方法精度和灵敏度相对较高,且体积较小,应用比较广泛,本文在此基础上引入DSP系统来控制F-P滤波器的扫描以及数据的采集和处理,既可以满足系统解调速度的要求,又可以提高解调精度。

1  解调系统结构和原理

1.1 系统组成与原理

基于DSP的光纤光栅解调系统如图1所示,主要由宽带光源ASE、可调谐F-P滤波器、3dB耦合器、测量光纤光栅、参考气室、光电探测器PDDSP等几部分组成。

[L{BC@LGBW{{J{V{P8EHR(I.png

1 光纤光栅解调系统组成框图

系统工作过程是由DSP产生锯齿波电压,可调谐F-P滤波器在锯齿波电压的驱动下对宽带光源发出的光进行调谐形成波长可调的窄带扫描光源,光经3dB耦合器分别进入测量光纤光栅通道和参考气室通道。测量通道串接多个光纤光栅传感器,每个传感器的工作波长不尽相同,构成了分布式光纤光栅测量系统。当F-P滤波器透射波长与其中一个测量光纤光栅的中心波长一致时,其反射光经电探测器转换后由DSP进行数据采集和差值运算或数据拟合处理得到被测波长。参考气室内冲入具有特征吸收谱线的气体用来实时校准波长,消除温度影响和F-P滤波器的非线性影响和迟滞效应。

1.2窄带扫描光源


系统中窄带扫描光源由宽带光源ASE和可调谐F-P滤波器组成。可调谐F-P滤波器的基本原理是多光束干涉特性,其典型结构如图2所示。当ASE宽带光源发出的光经过可调谐F-P腔时,在腔内产生多光束干涉,并且其透射光强与F-P腔的腔长存在一定的关系。从理论上来说,假设滤波器透射的中心波长为Y7TER$)PKWSM~2R7KR4JU6S.png时,则通过可调F-P腔后的光信号的结果可等效为:FNH4SO(JJ`6S(5EDHOXIQQ8.png改变可调谐 F-P 腔的中心波长Y7TER$)PKWSM~2R7KR4JU6S.png,就可以实现在一定光谱范围内对输入光谱的扫描,从而输出特定波长的光[4]。而可调谐F-P腔的中心波长与腔体长度A`Z(55~AN6(T]QELX_GE8[C.png之间的关系式为:T__R}457O(MIX[N3T8$O1{Y.png其中S6PZ60AJ%NQ}JR]9)4H56%7.png为干涉级次,是整数。因此改变F-P腔的长度A`Z(55~AN6(T]QELX_GE8[C.png,其入射光的透射光强就会随A`Z(55~AN6(T]QELX_GE8[C.png的变化而出现多个峰值。将F-P腔固定在压电陶瓷上,DSP产生锯齿波电压控制压电陶瓷伸缩来改变F-P腔的长度,从而实现入射光中心波长的变化。由于F-P腔的长度A`Z(55~AN6(T]QELX_GE8[C.png受环境温度影响,而且PZT的驱动电压与其伸缩量具有迟滞效应,所以可调谐F-P滤波器解调方法的精度会受这两个因素的影响,为此本系统引入参考气室实时校准波长来消除这些不良影响。

1.3 DSP选型

本系统采用 TMS320F2812 微处理系统,它是高性能的32位定点DSP处理器,它体积小,速度快,存储容量大,集成度高,便携性好,不仅具备卓越的数据处理能力,还具有非常适用于控制的片内外设和接口,可广泛应用于各种工业控制设备中。与单片机相比,TMS320F2812的时钟频率高达150MHZ,具有改进的哈佛总线结构、多处理单元、高速硬件乘法器、多级流水线、特殊的DSP指令及零开销循环等特点[5],因此具有高速的数据运算处理能力,可以保证数据处理的实时性,是实现高精度复杂算法的基础,TMS320F2812 的模数转换模块具有12位的分辨率,其工作时钟是高速外设时钟,单次转换频率可达5MHZ,流水线模式下可高达16.7MHZ,保证了对电压信号的高速采样。

2  软件设计

基于DSP的光纤光栅解调系统的程序需要完成F-P滤波器锯齿波驱动、模数转换、数据采集处理以及数据显示等功能因此其程序设计需要包括各功能模块初始化子程序、锯齿波驱动子程序、数据采集、处理子程序、通信显示子程序等部分,其流程如图2所示。

 

)PQO}8VZ_8T)(Z%D~G2Z1_W.png

2 系统软件流程图

 

3  结束语

本系统采用ASE宽带光源和可调谐F-P滤波器构成窄带扫描光源,用32位定点DSP芯片进行滤波器驱动控制和数据的采集处理,提高了系统解调速度,引入了参考气室来消除环境温度和电压-波长的迟滞效应带来的影响,提高了解调精度,非常适用于需要分布式测量的场合。

参考文献:

[1] 杨洋等. DWDM技术在新型波长解调方法中的应用[J], 红外与激光工程,2016.8:0822007-1-0822007-7.

[2] 叶宗顺等, 高精度光纤光栅解调仪的研制及应用[J], 水电自动化与大坝监测,2010.12:34-37.

[3] 崔海朋. 基于MSP430单片机的光纤光栅传感器匹配解调系统[J], 北京联合大学学报(自然科学版),2009.3:51-53.

[4] 张燕君等. 新型分布式布喇格光纤光栅传感系统的研究[J], 光电工程,2010.1:89-94.

[5] 娄建华等. DSP光纤光栅解调系统研究[J], 西安科技大学学报,2012.01:91-94.

作者简介:

赵亚丽(1982-),女,河北保定人,硕士,讲师;主要从事光电检测、光纤传感技术以及实践教学的研究。

GE数字集团首席技术官哈雷尔·科德什表示:“工业互联网的发展离不开生态圈的培育,也离不开各方携手共建解决方案以加速数字工业转型的承诺。此次新方案融合了华为和GE两大公司的优势,正为包括迅达在内的创新驱动的客户取得积极成果。 这些合作伙伴关系将有助于工业企业利用工业互联网,推动生产力获得前所未有的增长。” 




   来自 《信息记录材料》

《信息记录材料》编辑部


Copyright©2017 信息记录材料 京ICP备14789658号 技术支持:鸿博科技

在线客服

返回顶部