基于fpga和f-p濾波器的光纖光柵解調系統(tǒng)

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分類號：TP212學校代碼：10406學號：130085202011南昌航空大學碩士學位論文（專業(yè)學位研究生）基于FPGA和F-P濾波器的光纖光柵解調系統(tǒng)作者：龔強導師：萬生鵬教授申請學位級別：碩士學科、專業(yè)：光學工程所在單位：測試與光電工程學院答辯日期：2016年6月授予學位單位：南昌航空大學 TheSystemofFiberGratingDemodulationBasedonFPGAandF-PFilterADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterOnOpticalEngineeringByGongQiangUndertheSupervisionofProf.WanShengpengSchoolofMeasuringandOpticalEngineeringNanchangHangkongUniversity,Nanchang,ChinaJune.2016 摘要光纖布拉格光柵（FiberBraggGrating,FBG）作為新型光傳感器件，較傳統(tǒng)電傳感器具有耐腐蝕、精度高、抗電磁干擾、分布式傳感等優(yōu)勢，已被廣泛應用于安全監(jiān)測、建筑結構、航空航天等領域。而光纖光柵解調系統(tǒng)一直是光纖光柵傳感技術研究的重點和難點，因此設計出一套低成本、高精度的解調系統(tǒng)對光纖傳感技術的發(fā)展具有重要意義。本文從光纖光柵傳感理論出發(fā)，結合實際工程應用需求，詳細分析比較了5種常用解調方式，選擇基于可調諧光纖法布里-珀羅（FFP）濾波器設計和研制一套光纖光柵解調系統(tǒng)。在測試和分析系統(tǒng)光路及核心部件性能后，根據(jù)FFP的掃描特性使用FPGA生成FFP驅動電源。接著針對FFP壓電陶瓷（PZT）的非線性特性，通過在FPGA中使用直接頻率合成（DDS）技術對其進行線性補償。最后以FPGA為核心，設計A/D數(shù)據(jù)采集模塊、串口發(fā)送與接收等硬件功能模塊，成功實現(xiàn)了傳感光柵反射譜數(shù)據(jù)的采集及FPGA與上位機之間的通信。本文基于LabVIEW平臺開發(fā)上位機軟件系統(tǒng)，首先通過編程實現(xiàn)了上位機對FPGA串口上傳數(shù)據(jù)的接收和實時顯示的功能。其次，為了從有限數(shù)據(jù)中實現(xiàn)較精確的布拉格波長測量，提出采用L-M算法對光柵反射光譜進行擬合，得到反射光譜的峰值位置，從而實現(xiàn)溫度/應變的測量。最后，為解決FFP自身的漂移等問題對系統(tǒng)測量精度的影響，提出串聯(lián)一根應力傳感光柵對波長進行標定的方法，使用應力標定光柵和待測溫度傳感光柵反射光的中心波長差對待測光柵中心波長進行修正，提高了光柵反射峰中心波長的測量精度。經(jīng)測試，本系統(tǒng)在采用波長擬合及定標光柵后，系統(tǒng)解調中心波長漂移小于15pm，結合所使用的傳感光柵溫度波長敏感系數(shù)27.3pm/℃,系統(tǒng)溫度解調精度小于0.55℃。關鍵詞：FPGA，F(xiàn)-P濾波器，LabVIEW，光纖光柵I AbstractAsanovelopticalsensor,fiberbragggratinghassomeadvantagesofcorrosionresistance,highprecision,antielectromagneticinterference,distributedsensingcomparedwiththetraditionalelectricalsensor,andithasbeenwidelyusedinsecuritymonitoring,construction,aerospaceandotherfields.Thefibergratingdemodulationsystemhasbeenthefocusanddifficultyintheresearchoffibergratingsensingtechnology,itisveryimportanttodesignalowcost,highprecisiondemodulationsystemforthedevelopmentofthefiberopticsensingtechnology.Fivekindsofcommonlyuseddemodulationmethodsisdetailedanalysisandcomparisonbasingonthetheoryoffibergratingsensorandaccordingtotherequirementofpracticalengineeringapplication.BasedontunablefiberFabry-Perotfilterafibergratingdemodulationsystemisdesignedanddeveloped.FPGAisusedtogeneratethedrivingpowerofthetunableF-PcavitybasedonthescanningcharacteristicsofF-Paftertestingandanalyzingtheperformanceoftheopticalpathandthecorecomponentsofthesystem.Then,accordingtothenonlinearcharacteristicsofFFPpiezoelectricceramics,thelinearcompensationiscarriedoutbyusingthedirectfrequencysynthesistechniqueinFPGA.Finally,A/Ddataacquisition,serialtransmissionandreceptionandotherhardwaremodulesinFPGAwasdesigned,sensinggratingreflectivespectrumdataacquisitionandFPGAcommunicationwiththehostcomputerissuccessfullyimplemented.Inthispaper,thehostcomputersoftwaresystemisdevelopedbasedonLabVIEWplatform.Firstofall,hePCsoftwaretoacceptanddisplayreal-timeFPGAserialuploaddatafunctionisrealized;Secondly,inordertoachieveamoreaccuratemeasurementofPraguewavelengthfromthelimiteddata,thispaperproposestheuseofL-Malgorithmtofitthegratingreflectionspectrum.Byfittingtheobtainedspectralreflectancepeakposition,inordertoachievethetemperature/strainmeasurement.finally,Finally,inordertosolvetheproblemofFFP'sowndriftandotherissuesonthemeasurementaccuracyofthesystem,thispaperpresentsamethodofmeasuringthewavelengthofastrainsensinggratinginseries.Themeasuredgratingcenterwavelengthiscorrectedbyusingthestresscalibrationgratingandthecenterwavelengthdifferenceofthereflectedlightofthetemperaturesensinggratingtobemeasured.Bydoingthis,themeasurementaccuracyofthecenterwavelengthofthegratingreflectedlightwaveisimproved.II Aftermanytimesoftestandmeasurement,thedemodulationsystemofcentralwavelengthdriftlessthan15pmafterusingwavelengthfittingandcalibrationgrating,combinedwiththeuseofwavelengthofsensinggratingtemperaturesensitivitycoefficient27.3pm/DEGC,systemtemperaturedemodulationprecisionislessthan0.55degrees.Keywords:FPGA，F(xiàn)-Pfilter，LabVIEW，OpticalFiberBraggGratingIII 南昌航空大學碩士學位論文目錄目錄摘要..................................................................................................................................................IAbstract.........................................................................................................................................II目錄...............................................................................................................................................IV第1章緒論...................................................................................................................................11.1引言.................................................................................................................................11.2光纖光柵傳感技術的發(fā)展現(xiàn)狀....................................................................................21.3課題研究的目的和意義................................................................................................31.4本文主要研究內容及結構安排....................................................................................3第2章光纖光柵傳感機理及解調技術......................................................................................52.1光纖光柵傳感機理........................................................................................................52.2光纖光柵傳感常用解調方式介紹................................................................................62.2.1光譜儀解調法....................................................................................................62.2.2匹配光柵解調法................................................................................................72.2.3邊沿濾波解調法................................................................................................82.2.4體光柵動態(tài)解調法............................................................................................92.2.5可調諧光纖法布里-珀羅（FFP）濾波式解調法...........................................92.3本章小結.......................................................................................................................11第3章基于FPGA和F-P濾波器的光纖光柵解調系統(tǒng)..........................................................123.1解調系統(tǒng)整體設計......................................................................................................123.2解調系統(tǒng)的硬件核心器件測試..................................................................................123.2.1系統(tǒng)光源性能介紹..........................................................................................133.2.2可調諧光纖F-P濾波器性能介紹..................................................................143.2.3光電探測器性能介紹......................................................................................163.3解調系統(tǒng)的硬件設計開發(fā)環(huán)境..................................................................................163.3.1QuartusII編程環(huán)境.........................................................................................163.3.2In-SystemSourcesandProbesEditor....................................................173.3.3虛擬邏輯分析儀SignalTap...........................................................................173.4解調系統(tǒng)的上位機軟件開發(fā)環(huán)境..............................................................................183.5本章小結.......................................................................................................................19第4章解調系統(tǒng)硬件的設計....................................................................................................204.1硬件結構整體設計......................................................................................................204.2可調諧FFP驅動電路的設計......................................................................................204.3非線性補償功能驅動電路的設計..............................................................................254.3.1DDS技術介紹...................................................................................................254.3.2基于DDS技術的F-P驅動電源設計..............................................................274.3.3補償前F-P濾波器掃描特性..........................................................................274.3.4補償后F-P濾波器掃描特性..........................................................................294.4.1A/D驅動控制模塊...........................................................................................31IV 南昌航空大學碩士學位論文目錄4.4.2串口發(fā)送模塊..................................................................................................374.4.3串口接收模塊..................................................................................................404.4硬件部分RTL整體設計..............................................................................................414.5本章小結.......................................................................................................................42第5章解調系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)....................................................................................................435.1上位機軟件整體設計流程..........................................................................................435.2上位機設計流程...........................................................................................................435.2.1數(shù)據(jù)讀取...........................................................................................................435.2.2基于L-M算法的光譜曲線擬合.....................................................................465.2.3光柵反射光譜重建..........................................................................................475.3系統(tǒng)性能及分析...........................................................................................................495.4本章小結.......................................................................................................................51第6章總結和展望....................................................................................................................526.1總結...............................................................................................................................526.2展望...............................................................................................................................53參考文獻.......................................................................................................................................54攻讀碩士學位期間發(fā)表論文及參加科研情況..........................................................................57致謝...............................................................................................................................................58附錄...............................................................................................................................................59V 南昌航空大學碩士學位論文第1章緒論第1章緒論1.1引言隨著工業(yè)技術及生活水平的提高，在生產效率兼顧的情況下，安全檢查及監(jiān)測越來越引起社會的關注。傳統(tǒng)的傳感器以電信號作為載體，這樣容易受到外部環(huán)境及其他電磁信號的干擾。光纖類型傳感器則以光作為信息載體，通過解調光譜的功率、波長、相位、偏振態(tài)等信息推演出光纖傳感器所處環(huán)境對應溫度、應變等物理量的情況及變化。這使得光纖傳感器具有以下幾點優(yōu)勢[1]：1.光纖形狀纖細，可以承受一定程度的彎曲?？陕袢牍こ探Y構或貼附在結構表面。適用于空間受限的環(huán)境，如管道溫度、橋梁臂內部應變監(jiān)測等；2.耐腐蝕能力強。光纖涂覆層材料決定了其耐酸堿腐蝕能力強，適用于石油、電力等各種惡劣環(huán)境下進行長期監(jiān)測；3.靈敏度和分辨率高。信號精度可小至微米量級。在使用波長解調技術時，分辨率甚至可以至納米量級。4.抗電磁干擾能力強。光纖傳感系統(tǒng)中，光作為信息載體，不會受周圍電磁場的串擾，故具有抗電磁干擾能力。5.動態(tài)范圍大，測量范圍廣，可測量溫度、壓力、濕度、濃度等環(huán)境變量[2,3]；6.復用性強，可組建分布式或多點式傳感網(wǎng)絡。7.制造工業(yè)技術成熟，易于購買，價格便宜。綜上光纖光柵傳感器所具有的諸多優(yōu)勢，該技術被廣泛應用于船舶、航空航天、石油煤礦、健康監(jiān)測等領域[4-7]。在石油煤礦生產活動中，對原油儲罐、石油管道等溫度的監(jiān)測，該監(jiān)測環(huán)境苛刻，具有腐蝕性且需要在無緣環(huán)境下完成實時監(jiān)測，光纖光柵作為無源器件，其具有材料絕緣、耐腐蝕、易于安裝且具有高精度等優(yōu)點，適用于易爆易燃等惡劣環(huán)境。其次，光纖傳感技術在橋梁等建筑結構的健康檢測工作中。橋梁大壩等建筑的應變聚集區(qū)分布光纖傳感器，可對易產生形變或裂紋的區(qū)域進行實時監(jiān)測和報警。對于傳感器的貼放方式，可采用埋入式或表面貼附式等，并將傳感器并聯(lián)或串聯(lián)組網(wǎng)，現(xiàn)階段已達到對結構健康的多點式或全分布式監(jiān)測[8]。此外，在國防安全領域，光纖傳感系統(tǒng)大量應用于對飛機發(fā)動機等重要組件1 南昌航空大學碩士學位論文第1章緒論的溫度和應變的實時監(jiān)測。1.2光纖光柵傳感技術的發(fā)展現(xiàn)狀1978年，摻鍺光纖被制成及其光敏性被發(fā)現(xiàn)后，加拿大專家K.O.Hill[9]等人制作出歷史上第一根光纖光柵。1989年，美國的G.Meltz[10]等通過光纖布拉格光柵的外部寫入法，使用兩束干涉紫外光從側面寫入光柵，并且通過改變雙光束的夾角來控制布拉格波長，到此，布拉格光纖光柵濾波器被成功研制。之后，英國、美國、日本等國研究人員對光纖傳感技術在建造業(yè)的應用進行了大量研究。1993年，相位掩膜法被K.O.Hill[11]等人提出，這種方法降低了對光源相干性得要求，且重復性較好，使得光纖光柵的大規(guī)模生產成為了可能。同年，P.J.Lemaire[12]等人提出低溫高壓載氫方法，光纖的光敏特性被增強。同年，Kersey[13]等人提出一種基于可調諧光纖F-P濾波的解調方法。該方案將光纖F-P濾波器（FFP）嵌入壓電陶瓷（PZT）中，通過改變PZT所加載電壓，使得F-P透過峰波長變化，從而可以掃描出對應電壓下光纖光柵的反射光波。2004年，Nunes[14]等人提出多個濾波器協(xié)同解調方案，該方案較單一濾波器具有更高的精度。2016年，美國國家儀器公司成功研制出無需后校準，采用頻率調制，在無需信號處理的情況下可傳播10km以上的光纖布拉格光柵應變測量新方案。相比于國外，國內直到上世紀末期才開始對光纖傳感技術進行研究。1997年，華南師范大學的杜衛(wèi)沖[15]等人使用鋁材料封裝光纖布拉格光柵（FBG）來提高其溫度靈敏度，通過實驗驗證該FBG的溫度靈敏度為0.038nm/oC，三倍于裸光纖光柵。同年，重慶大學江毅[16]等人分析FBG的應力/溫度傳感原理，通過實驗驗證FBG對溫度/應變同時解調。2005年，清華大學的李營[17]通過加入固定波長參考光柵，對傳感光柵進行差值處理，進一步消除了FFP腔長漂移的影響。2009年，大連理工大學的張磊[18]等人通過分離光纖F-P與FBG串聯(lián)復用結構，消除了二者疊加串擾的影響，使得FFP解調數(shù)據(jù)最大離散低于0.2nm，F(xiàn)BG反射中心波長誤差低于0.7pm。2013年，七一五研究所何少靈[19]等人將光纖光柵應用于對水深的實時測量，在200m水深范圍內，精度達到0.85m。2015年，南京大學光通信工程研究中心楊剛[20]等人將頻譜分區(qū)來從而完成高精度光纖光柵波長解調系統(tǒng)，該系統(tǒng)穩(wěn)定度為0.97pm，分辨率低至0.33pm。2 南昌航空大學碩士學位論文第1章緒論1.3課題研究的目的和意義光纖布拉格光柵（FBG）傳感器[21]作為無源器件，具有其他電子類傳感器無法比擬的優(yōu)勢，在生產生活中也具有更高的應用價值和經(jīng)濟效應。光纖光柵傳感系統(tǒng)在國內已經(jīng)初具規(guī)模，但仍有許多關鍵器件問題需要進一步解決和研究。尤其在光纖光柵系統(tǒng)的解調設計方面，高精度、低成本的解調方案仍急需被提出。光纖光柵傳感解調系統(tǒng)的性能，關鍵在于如何高速、高精度提取光纖光柵反射波中心波長的偏移量問題,光纖光柵解調器的精度和速度決定了光柵傳感的準確性和實時性等性能。市場上大部分解調系統(tǒng)多來自國外，國內高校和公司雖有研制出可行的解調方案，但性能較國外產品仍有較大差距。本課題的目的是設計并開發(fā)出一套精度高、成本低且具有工程應用價值的光纖光柵解調系統(tǒng)。本文設計一套基于FPGA與FFP協(xié)同工作的光纖光柵解調系統(tǒng)，并在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下，設計配套友好上位機界面控制顯示，其具有在性能可滿足工程使用，系統(tǒng)方面體積小易于集成，成本方面價格低廉等特點。本文研究具有以下創(chuàng)新點：1.根據(jù)FFP掃描非線性，使用DDS技術對其進行非線性補償；2.在溫度解調系統(tǒng)中加入應力傳感光柵對波長進行標定，從而提高系統(tǒng)對傳感光柵反射光波波長解調的精度。1.4本文主要研究內容及結構安排本文主要基于FPGA和光纖F-P濾波器搭建硬件系統(tǒng)部分，并在LabVIEW編程環(huán)境開發(fā)出配套的上位機界面，從而完成光纖光柵溫度解調系統(tǒng)。該套基于FPGA控制的光纖F-P濾波式的光纖布拉格光柵解調系統(tǒng)具有高速、高精度、低功耗和強工程實用性等特點。本文首先介紹了光纖布拉格光柵傳感機理，對常見的光纖光柵解調方式做了分析與對比后，選擇光纖F-P濾波式解調方式。使用FPGA控制12bit數(shù)模轉換芯片TLV5618產生鋸齒波電壓源，驅動FFP濾波器，使其對光纖光柵的反射光波進行掃描解調；接著，對FFP的線性度做了進一步研究；使用FPGA控制模數(shù)轉換芯片TLC549完成對光電轉換器輸出電信號的數(shù)據(jù)采集，并在FPGA內部對信號進行處理后，通過串口通信方式實現(xiàn)FPGA與上位機的協(xié)作通信，最終在上位機顯示布拉格光柵返回光波的中心波長數(shù)值及其變化量，從而反演出傳感光柵所處溫度的變化情況。論文的詳細章節(jié)安排如下：3 南昌航空大學碩士學位論文第1章緒論第1章：緒論部分。主要介紹本文的選題依據(jù)、課題研究意義，同時對布拉格光柵傳感技術發(fā)展和國內外研究進展做了詳細介紹與分析。第2章：光纖光柵傳感機理及解調技術。簡述光纖光柵傳感機理，詳細介紹光纖光柵不同解調方式，并做了對比和分析，選定本課題選用光纖F-P解調方式。第3章：基于FPGA的FFP濾波式光纖光柵解調系統(tǒng)。詳細分析本文所采用的解調系統(tǒng)的整體結構，包括光路的搭建、硬件編程環(huán)境、上位機軟件編程環(huán)境等。第4章：解調系統(tǒng)的硬件部分實現(xiàn)。本章詳細闡述以下幾方面內容：1.基于FPGA控制數(shù)模轉換器TLV5618生成適配于FFP壓電陶瓷特性的驅動電壓；2.研究FFP的非線性效應，并在FPGA內使用DDS技術對FFP驅動進行非線性補償；3.設計基于TLC549的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；4.開發(fā)串口通信收發(fā)模塊用于FPGA與上位機間通信。第5章：解調系統(tǒng)的上位機軟件實現(xiàn)。在LabVIEW開發(fā)環(huán)境中，調用串口接收及串口發(fā)送模塊，使用友好界面顯示波形，接著基于L-M算法對傳感光柵返回光譜進行擬合，成功反演FBG反射譜波長等信息并轉換為溫度信息，最后結合實驗分析了解調系統(tǒng)的性能。第6章：總結研究內容，分析并指出本課題不足以及今后研究可參考的改進與提高。4 南昌航空大學碩士學位論文第2章光纖光柵傳感機理及解調技術第2章光纖光柵傳感機理及解調技術2.1光纖光柵傳感機理光纖傳感技術[22]的核心是光纖，光波可以在其中心傳播。光纖主要由三個部分組成：纖芯（core），包層（cladding）和保護層（buffercoating）。通過這樣的三層結構使得光在光纖中以全反射方式進行傳輸。光纖布拉格光柵（FBG，F(xiàn)iberBraggGrating），作為無源器件，F(xiàn)BG是光纖的纖芯折射率在軸向被周期性調制后，構成的衍射光柵。光柵光纖具有體積小、易貼附、適宜埋入等優(yōu)點，并且諧振波長對于外界溫度、應變等環(huán)境變量的變化敏感，因此被廣泛應用于通信、傳感等領域。光纖材料具有光敏感特性，通過使其沿纖芯的軸向折射率周期性變化，在空間上形成永久性的相位光柵。當有光射入光纖光柵時，只有滿足布拉格條件波長的光被反射，其他波長的光透射。當外界環(huán)境變量變化，即布拉格條件被改變，反射光中心波長將產生相應改變。光纖光柵傳感原理：圖2-1光纖光柵傳感原理FBG的bragg中心波長：??B2n?eff(2-1)式中，neff為光柵的有效折射率，?為光柵的周期。當FBG所處的外界環(huán)境敏感變量變化時，有效折射率neff和周期?也將對應發(fā)生變化。解調系統(tǒng)通過解調反射波中心波長的大小和改變量，即可解調出外界環(huán)境5 南昌航空大學碩士學位論文第2章光纖光柵傳感機理及解調技術對應敏感變量的變化。在實際工程應用中，傳感光柵多用于對環(huán)境變量應變及溫度的監(jiān)測，本文著重介紹溫度及應變這兩個環(huán)境變量對光纖光柵傳感系統(tǒng)的影響。對于溫度及應變雙變量同時敏感的FBG，反射波的波長與溫度變化量?T及軸向應變的變化量??的關系為：??B??????()T(1P)?z??(2-2)?B式中，?為FBG熱膨脹系數(shù)，?為熱光系數(shù)，Pz為應變靈敏系數(shù)，Pz的值由光纖光柵的纖芯泊松比、光柵折射率及彈光系數(shù)決定。其中?和?均為常量（光纖?6?6光柵的材料為石英，一般情況下，??0.5510/?℃，??6.6710/?℃。而只對溫度敏感FBG或只對應力敏感的光柵則可將另一變量的影響忽略。通過解調得到布拉格中心波長?B及其變化量??B，即可推演出外界環(huán)境溫度及應力的變化情況。2.2光纖光柵傳感常用解調方式介紹2.2.1光譜儀解調法傳統(tǒng)解調法多應用于實驗室條件，其結構原理如圖2-2所示。圖2-2光譜儀解調法光譜儀解調法即使用單色儀、光譜儀等光學設備直接實時讀取FBG反射光譜譜形。FBG反射光譜經(jīng)過環(huán)形器后直接由光譜儀進行接收并直觀顯示，可在光譜儀顯示界面直接讀取反射光譜中心波長及其漂移量。該解調方法雖然在功能上可以實現(xiàn)，但總體運行成本過高、體積太大、穩(wěn)定性差，極不適和工程化應用，因此不具有實用性。光譜儀解調法雖然擁有以上諸多缺點，但該方法可以在實驗室階段配合其他解調法來方便直觀地得到光纖布拉格光柵反射光波的中心波長信息和漂移等信息。6 南昌航空大學碩士學位論文第2章光纖光柵傳感機理及解調技術2.2.2匹配光柵解調法匹配光柵解調法[23,24]根據(jù)解調光的不同類型，可分為透射光解調型和反射光解調型。匹配光柵解調法采用可調諧光柵進行檢波，該可調諧光柵嵌在壓電陶瓷內，并與傳感光柵波長相匹配。通過改變壓電陶瓷上所加載的電壓來控制匹配光柵中心波長位置的改變，從而實現(xiàn)對傳感光柵反射光譜或透射光譜的檢測。圖2-3光纖光柵匹配濾波解調系統(tǒng)匹配光柵解調法分為反射式和透射式，如圖2-3反射式解調原理如下：光源發(fā)出傳感光，經(jīng)過耦合器后進入傳感光纖光柵陣列，光被調制攜帶傳感信息，反射光再次經(jīng)過耦合器后，進入匹配光柵反射后被光電探測器接收，光電探測器完成信號從光量到電量的轉換后，由模數(shù)轉換芯片或數(shù)據(jù)采集卡采集，經(jīng)濾波放大二次濾波等處理后，上傳至計算機處理顯示。匹配光柵反射譜R()?分布為：2?(???B)?R()??RexpB??4ln2??(2-3)???B?式中，?B為匹配光柵的中心波長，RB為匹配光柵的峰值反射率。同樣的，匹配光柵反射譜R0()?為：2?(???s)?R0()??I0Rsexp??4ln2??(2-4)???s?式中，?B為傳感光柵的中心波長，RB為傳感光柵的峰值反射率。I0為入射光的光強，??s為反射光的3dB帶寬。進入光電探測器的光束光強為匹配光柵與傳感光柵兩路反射譜的卷積，其強度I()?為：7 南昌航空大學碩士學位論文第2章光纖光柵傳感機理及解調技術?I()???IR()R()0s???(2-5)其中，為光路系統(tǒng)的損耗系數(shù)。帶入式（2-4）及式（2-5），得到光電探測器接收到的光功率為：????'''P(λ)D??I(λ)dλ??βI0?R(λ)R(λλ)dλs?(2-6)????外界環(huán)境影響下的光纖光柵?B會產生一定的偏移量，控制匹配光柵壓電陶瓷的驅動電壓使匹配光柵的反射條件改變，從而對傳感區(qū)的待測光纖光柵返回光波進行掃描，當?B與?s相同時，探測器獲得接收光功率的最大值。匹配光柵解調法結構相對簡單，檢測精度較高，但是需要匹配光柵與傳感光柵對應匹配，這對工程要求相對嚴苛；另外，當傳感光纖光柵組網(wǎng)時，使用多個PZT驅動不同匹配光柵使得系統(tǒng)誤差顯著增加。2.2.3邊沿濾波解調法邊沿濾波解調法[25,26,27]的原理是使待解調光譜通過具有線性光波邊緣的濾波器。濾波器需在一定波長范圍內線性工作。如圖2-4所示，在設計解調系統(tǒng)時，通過合理地配置傳感光柵的初始布拉格條件，使得其反射光波的中心波長動態(tài)范圍處在邊沿濾波器的線性工作區(qū)間內，這樣當光纖光柵傳感器因外界環(huán)境變量發(fā)生改變時，波長發(fā)生漂移，其反射光經(jīng)過線性區(qū)濾波后輸出光強發(fā)生對應變化，從而得到波長值與輸出光功率對應的線性關系表達式。定標之后，通過輸出的光功率值即可反推出反射光譜的波長值及其變化情況。圖2-4邊沿濾波解調原理邊沿濾波解調法具有很好的線性輸出，方便用戶對信號的處理工作，但濾波器本身的穩(wěn)定性和線性區(qū)的范圍對該方法形成了一定的局限性。8 南昌航空大學碩士學位論文第2章光纖光柵傳感機理及解調技術2.2.4體光柵動態(tài)解調法體相位光柵解調的系統(tǒng)[28,29,30,31]結構如圖2-5所示。寬帶光源發(fā)出的光信號經(jīng)過隔離器和耦合器，經(jīng)傳感光柵調制反射，反射光再次進入耦合器后進入其后端連接的體光柵陣列中。經(jīng)光路選擇，不同波長的光照射在體光柵內不同的像元上，各像素點將光信號轉換為對應的電信號后，由模數(shù)轉換芯片在控制器控制下完成對當前各像素點信息的數(shù)據(jù)采集，從而得到傳感光纖反射光的波長及變化情況。圖2-5體光柵動態(tài)解調原理體相位光柵解調法操作簡單，響應速度較快，但其精度受到像元數(shù)量等多個因素的嚴重影響，且定標工作具有相當難度。2.2.5可調諧光纖法布里-珀羅（FFP）濾波式解調法可調諧FFP由嵌在壓電陶瓷內的兩個鍍了高反膜纖芯的光纖端面及兩個端面間的空隙組成。兩個端面及其中間空隙形成F-P腔，在壓電陶瓷上所加載的驅動電壓發(fā)生改變時，壓電陶瓷發(fā)生磁致伸縮，導致端面間空隙大小發(fā)生改變，即F-P腔的腔長發(fā)生了變化，從而使F-P濾波器透過峰的中心波長被調諧。其結構圖如圖2-6所示：圖2-6可調諧FFP結構圖9 南昌航空大學碩士學位論文第2章光纖光柵傳感機理及解調技術如圖，L1和L2兩塊透射鏡，h為F-P腔的腔長，兩塊構成F-P腔的高反射鏡面隨壓電陶瓷的伸縮產生位置變化，從該使F_P干涉腔的腔長改變。光入射F-P腔后，經(jīng)L1和L2兩個端面多次反射，其中特定波長的光波會返回，形成反射光波，其余光波從F-P腔透射。由多光束干涉原理，光束垂直入射時，F(xiàn)-P諧振腔的透射率TR為：2It(1R)?mTR??(2-7)Ii222nh?(1R)?m?4Rsin(m)?其中，Rm為F-P腔反射鏡面的反射率，Ii為入射光功率，It為透射光功率，h為F-P腔的腔長，n為光纖折射率。光纖F-P腔輸出光波的中心波長為:2nh??k=1，2，3……(2-8)k由式2-8，F(xiàn)-P腔具有選擇特定波長透射的能力，且透過峰中心波長的大小與F-P腔的腔長成正比關系。因此，以通過調節(jié)加載在PZT上的驅動電壓大小來調節(jié)腔長，從而選擇所需波長的光波透射，即完成濾波功能。圖2-7可調諧FFP解調結構簡圖圖2-7為基于可調諧FFP的光纖光柵波長檢測系統(tǒng)[32-35]簡圖。系統(tǒng)工作原理如下，寬帶光源發(fā)射的光波單向經(jīng)過隔離器后，進入耦合器，并從耦合器下一端口發(fā)射，經(jīng)傳感光柵FBG調制后反射，反射光再次由耦合器連接傳感光柵端口進入，從耦合器下一端口發(fā)射進入可調諧FFP，可調諧FFP被嵌在壓電陶瓷內。根據(jù)壓電陶瓷特性，給其加載一個線性增長的鋸齒波驅動電壓信號，使FFP近似線性掃描濾波，當可調諧FFP的選通光波波長位置與傳感光柵反射光有重合部分時，便有光通過，當F-P濾波器的透射位置與傳感光柵反射光波完全匹配時，光電探測器的輸出功率取得最大值。此時，加載在FFP的驅動電壓值可讀取并記錄，而該驅動電壓的值與可調諧FFP透射峰的中心波長存在對應關系，故可通過讀取驅動電壓值來推導出傳感光柵反射光的波長信息，進一步地由波長信息反演出環(huán)境敏感變量的大小和變化情況等。10 南昌航空大學碩士學位論文第2章光纖光柵傳感機理及解調技術光電探測器輸出電信號，由用戶控制的ADC模數(shù)轉換芯片或數(shù)據(jù)采集卡采集后，經(jīng)處理由串口或USB等通信方式上傳至上位機，上位機接收同步信號及有效數(shù)據(jù)，通過友好界面顯示用戶所需要的傳感光柵反射波的中心波長及環(huán)境變量等信息。基于可調諧FFP的光纖光柵解調法較其他解調方式具有以下優(yōu)勢:1.精度高、輕便、適用于分布式光纖光柵溫度或應變等傳感系統(tǒng)；2.抽象的波長信息可以轉換為FFP的驅動電壓值存在一一對應關系，可通過電壓的值推導出光波的波長值。3.系統(tǒng)理論成熟，實用性強，具有較好的發(fā)展前景。故本系統(tǒng)最終采用基于FPGA控制的可調諧FFP對光纖光柵溫度傳感進行解調。2.3本章小結本章首先對光纖光柵的傳感原理進行介紹，分類介紹了傳統(tǒng)解調法、匹配光柵解調法、邊沿濾波解調法、體光柵動態(tài)解調法、可調諧光纖法布里-珀羅(FFP)濾波式解調法等常用的且技術較成熟的解調方法，結合每種解調方式特性進行分析比較后，結合實驗室情況及工程應用的可行性，選擇基于FPGA控制可調諧FFP的解調方法對光纖布拉格光柵傳感進行解調。11 南昌航空大學碩士學位論文第3章基于FPGA的F-P濾波器的光纖光柵解調系統(tǒng)第3章基于FPGA和F-P濾波器的光纖光柵解調系統(tǒng)3.1解調系統(tǒng)整體設計基于可調諧F-P濾波式光纖光柵解調系統(tǒng)結構如圖3-1：圖3-1解調系統(tǒng)整體結構圖由圖3-1，該系統(tǒng)主要包括硬件設備及上位機軟件兩部分。圖中，實線表示光路部分，實線箭頭表示光路方向；空心箭頭表示電路部分及信號方向。系統(tǒng)的工作原理如下：寬帶光源發(fā)射的光波單向經(jīng)過隔離器，進入耦合器A端，并從耦合器B端發(fā)射，經(jīng)傳感光柵FBG調制后反射，反射光再次由耦合器B端進入，從耦合器C端進入可調諧FFP中，可調諧FFP被嵌在壓電陶瓷內。根據(jù)壓電陶瓷特性，給其加載一個線性增長的鋸齒波驅動電壓信號，使其近似線性掃描濾波，當可調諧FFP的選通波長位置與傳感光柵反射波的波長有重合部分時，便有光通過。當F-P濾波器的透射波與傳感光柵反射光波完全匹配時，光電探測器的輸出功率取得最大值。此時，加載在可調諧光纖F-P濾波器PZT上的驅動電壓值可讀取并記錄，而該驅動電壓的值與可調諧FFP的透過峰中心波長存在對應關系，故可通過讀取驅動電壓值來推導出波長信息。光電探測器輸出電信號，經(jīng)FPGA控制的ADC模數(shù)轉換芯片采集后，經(jīng)處理由串口通信上傳至上位機，上位機接收同步信號及有效數(shù)據(jù)，通過友好界面顯示用戶所需要的傳感光柵反射波的中心波長及環(huán)境變量等信息。3.2解調系統(tǒng)的硬件核心器件測試硬件包括兩方面內容：光路系統(tǒng)的設計與搭建；電路系統(tǒng)的選型與編程控制。光路系統(tǒng)的設計與搭建，在上一小節(jié)中已詳細介紹。12 南昌航空大學碩士學位論文第3章基于FPGA的F-P濾波器的光纖光柵解調系統(tǒng)另一方面則是電路系統(tǒng)的選型與編程控制。而電路系統(tǒng)的開發(fā)可分為一下幾個部分：a.根據(jù)數(shù)模（D/A）轉換芯片時序說明及功能實現(xiàn)手冊，使用FPGA編程控制D/A轉換芯片輸出鋸齒波電壓信號，經(jīng)過放大、濾波后驅動可調諧FFP有效掃描光纖布拉格調制后的反射光譜信號。b.按照模數(shù)（A/D）轉換芯片使用FPGA編程控制A/C轉換芯片完成對光電探測器轉換后輸出電信號的數(shù)據(jù)采集。c.使用FPGA編程將模數(shù)轉換芯片采集到的數(shù)據(jù)進行處理，并通過串口通信協(xié)議上傳到上位機。3.2.1系統(tǒng)光源性能介紹本系統(tǒng)所使用的光源為深圳維度有限公司所生產的ASE寬帶光源。對其做了如圖3-2測試：圖3-2光源測試方法寬帶光源的輸出光譜，如圖3-3：圖3-3光源光譜圖13 南昌航空大學碩士學位論文第3章基于FPGA的F-P濾波器的光纖光柵解調系統(tǒng)據(jù)測試，該寬帶光源輸出光功率為13.3dBm，中心波長為1550nm，光譜寬度1525nm-1568nm共43nm寬的有效光譜。長時間多次測試后，該光源性能穩(wěn)定。3.2.2可調諧光纖F-P濾波器性能介紹圖3-4可FFP透射光譜測試按圖3-4方案連接設備，寬帶光源發(fā)出的光波，單向通過隔離器后，直接進入已加載定值驅動電壓的FFP，其實物圖如圖3-5，F(xiàn)FP后端直接接入光譜儀進行觀測。得如圖3-6，可調諧F-P濾波器的透過峰。圖3-5FFP-TF2實物圖圖3-6FFP透過峰結合圖3-6，本實驗所搭載的光纖F-P濾波器性能為，其透過光波的半高寬為14 南昌航空大學碩士學位論文第3章基于FPGA的F-P濾波器的光纖光柵解調系統(tǒng)0.0929nm，略小于0.1nm。而本實驗室兩根光纖溫度傳感光柵的半高寬分別為0.3nm和0.2nm。滿足解調要求。參考該可調諧FFP的說明書并結合實驗結果本實驗所使用的美國微光光學公司的FFP-TF2具有如表3-1性能：表3-1可調諧FFP性能指標TestDateTestWavelength1550nmFreeSpectralRange102nmFinesse1015Bandwidth0.0929nmTuningVoltage/FSR18VPackageTypeTF2TemperatureTest-20to80oC可調諧FFP兩透過峰之間距離為自由光譜區(qū)（FSR）。本課題所使用的可調諧FFP的FSR為102nm，中心波長在1550nm附近，結合上述小節(jié)，本課題所使用的寬帶光源的光譜范圍為1525nm-1568nm共43nm范圍，故在FFP掃描解調過程中只有一個透過峰對光源波段進行掃描，即不會發(fā)生FFP不同透過峰之間的串擾。當FFP壓電陶瓷（PZT）上所加載的驅動電壓每變化18V時，F(xiàn)FP完成對一個自由光譜區(qū)的掃描?？烧{諧FFP工作模式如圖3-7：圖3-7FFP工作模式當FFP壓電陶瓷上的驅動電壓線性增長時，F(xiàn)FP透過峰的位置隨之線性變化而近似線性移動，對傳感光柵的反射光波進行掃描。即FFP壓電陶瓷所加載的電壓值與其透過峰的中心波長存在對應線性關系[36,37]。15 南昌航空大學碩士學位論文第3章基于FPGA的F-P濾波器的光纖光柵解調系統(tǒng)3.2.3光電探測器性能介紹本系統(tǒng)所使用光電探測器帶寬為6MHz，響應度為0.98A/W，靈敏度為-54dBm，噪聲約為8uW。試驗檢測所使用的北京康冠光電公司生產的光電探測器的光電轉換效率，響應速度，響應帶寬等性能適合本解調系統(tǒng)使用。3.3解調系統(tǒng)的硬件設計開發(fā)環(huán)境Field-ProgrammableGateArray縮寫FPGA[38,39]，即現(xiàn)場可編程門陣列。它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上發(fā)展而來的。FPGA已經(jīng)在汽車電子、計算機與存儲、軍事與航空航天、醫(yī)療、無線通信、工業(yè)控制等多個領域被廣泛應用。FPGA邏輯單元陣列,其內部包含了可配置的邏輯模塊、內部連線和輸入輸出模塊這三個部分。FPGA是通過向內部靜態(tài)的存儲單元加載用戶編程的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)邏輯的，存儲器單元中存儲的值決定該邏輯單元的功能及各個模塊之間的或模塊與I/O口間的連接方式，最終決定用戶通過FPGA所要實現(xiàn)的整體功能。FPGA開發(fā)周期短，允許無限次編程。3.3.1QuartusII編程環(huán)境QuartusII[40,41]作為Altera公司定制的綜合性PLD/FPGA開發(fā)軟件，該軟件具有界面友好、多種輸入方式、支持開發(fā)全過程等特點。而所使用的QuartusII13.0版本則是綜合了器件實用度、編譯速度、穩(wěn)定性、IP核豐富度等多方面因素的最佳選擇。圖3-8QuartusII開發(fā)界面16 南昌航空大學碩士學位論文第3章基于FPGA的F-P濾波器的光纖光柵解調系統(tǒng)整個開發(fā)流程主要包括以下幾方面：1.從對系統(tǒng)整體框架的設計；2.使用VerilogHDL或原理圖、IP核等多種方式設計所需電路；3.在QuartusII下綜合電路；4.布局布線；5.仿真測試、邏輯驗證；6.下載程序。3.3.2In-SystemSourcesandProbesEditor如圖3-9，In-SystemSourcesandProbesEditor[42]作為在線調試工具之一，其主要包含兩個部分：系統(tǒng)源（sources）和探測器（probes）。其中probe探針用于連接用戶設計中的輸出端口；而source信號線則用于連接用戶設計中的輸入端口，從而對外部輸入信號進行模擬。主要通過JTAG鏈實現(xiàn)PC及FPGA間數(shù)據(jù)的傳輸和驗證，無需外接測試設備。只需將探針連接至FPGA設計中的某些寄存器，即可在線調試該寄存器當前值與變化情況。其工作可選工作模式有單次探測和實時監(jiān)測兩種。具有實時和直觀等特點。圖3-9In-SystemSourcesandProbesEditor界面3.3.3虛擬邏輯分析儀SignalTapSignalTapII[43-46]如圖3-10，其作為QuartusII提供的虛擬邏輯分析儀，用于板級驗證時監(jiān)測內部信號狀態(tài)及變化。17 南昌航空大學碩士學位論文第3章基于FPGA的F-P濾波器的光纖光柵解調系統(tǒng)圖3-10SignalTap界面首先在參數(shù)配置欄選擇采樣始終信號、觸發(fā)類型、所使用的RAM類型等基本信息，接著添加所需要調試的參量，并設置不同信號的觸發(fā)條件。這里對多個不同信號的觸發(fā)條件設置具有多種形式，一種可直接忽略，另外可選擇沿觸發(fā)、電平觸發(fā)，甚至可以在高級觸發(fā)條件中，根據(jù)用戶需求自定義觸發(fā)條件。設置好上述參數(shù)后，正確連接JTAG鏈并配置文件，即可對待測信號按所選采樣時鐘信號進行采樣。只有當所有信號的各個觸發(fā)條件同時滿足時，才會形成觸發(fā)完成，并根據(jù)用戶需求對觸發(fā)點前后數(shù)據(jù)進行捕捉和有效顯示。這樣大大縮減了程序設計人員在定位時間問題上所耗費的時間和精力。3.4解調系統(tǒng)的上位機軟件開發(fā)環(huán)境LabVIEW[47-50]，是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境的簡稱，是一種基于圖形化編程語言G（Graph）語言的編程環(huán)境。在上位機開發(fā)過程中，使用G語言代替?zhèn)鹘y(tǒng)的文本編程語句和指令，LabVIEW則是基于數(shù)據(jù)流的編程，程序中各節(jié)點之間數(shù)據(jù)的流動方向決定了各函數(shù)及VI（Virtualinstrument）的執(zhí)行順序。也正因為LabVIEW使用的圖形化語言，使得LabVIEW編程具有易于上手、簡單直觀等優(yōu)勢。LabVIEW提供了數(shù)據(jù)探針、動態(tài)顯示執(zhí)行流程、斷電設置、單步調試等多種常用的程序調試工具，這些工具讓數(shù)據(jù)傳遞的具體細節(jié)流程清晰呈現(xiàn)，從而使整個開發(fā)及調試過程更加方便。18 南昌航空大學碩士學位論文第3章基于FPGA的F-P濾波器的光纖光柵解調系統(tǒng)LabVIEW提供多種接口功能函數(shù)，其中包含RS232/485、GPIB、USB、PXI、PCI等主流通信方式，這賦予了LabVIEW在不同連接方式選擇時的極強實用性。LabVIEW具有以下優(yōu)勢：（1）編程實時勘誤，即在編程的同時，后臺自動編譯，同時顯示編程錯誤；（2）編程空間大，利于圖形化編程；（3）多線程數(shù)據(jù)流模型，多處理器工作模式，利用率高；（4）豐富的外設通信驅動方式，使得LabVIEW可以和幾乎任何接口進行數(shù)據(jù)傳輸。3.5本章小結本章首先介紹了所選解調方案的解調原理，并對系統(tǒng)核心部件做了實驗測試。接著從硬件和軟件兩方面介紹了解調系統(tǒng)的結構及工作方式。硬件方面介紹了硬件編程環(huán)境及其多種在線調試測試工具；軟件方面介紹了上位機軟件編程環(huán)境及其特性。19 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)第4章解調系統(tǒng)硬件的設計4.1硬件結構整體設計圖4-1基于FFP的解調系統(tǒng)硬件結構功能圖基于FFP濾波式解調系統(tǒng)的硬件部分主要包括FPGA、可調諧光纖F-P濾波器驅動模塊、A/D數(shù)據(jù)采集模塊和FPGA與上位機的通信模塊。本章將對這幾個模塊的設計與實現(xiàn)進行詳細介紹。4.2可調諧FFP驅動電路的設計本系統(tǒng)所使用的F-P濾波器被嵌在壓電陶瓷內，所設計的驅動電路即對壓電陶瓷進行驅動，壓電陶瓷引出正負端口加載驅動電壓，通過改變壓電陶瓷驅動電壓，使得PZT發(fā)生相應伸縮形變，F(xiàn)-P腔的腔長隨壓電陶瓷的伸縮而改變,而腔長的改變導致F-P濾波器透射峰中心波長改變，從而實現(xiàn)對波長的解調功能。如2.2.2小節(jié)，所使用的FFP每掃描一個自由光譜區(qū)對應于18V左右的電壓該變量，故我們設計產生0-18V的鋸齒波電壓信號來驅動FFP。（a）功能框圖（b）引腳圖圖4-2數(shù)模轉換器TLV5618特征TLV5618是12bit數(shù)模轉換器，輸出信號為電壓類型。其時鐘最高頻率可達20 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)20MHz，最高更新速率為1.25MHz。TLV5618支持2.7V至5.5V供電。該芯片采用16位編程位，包括12個數(shù)據(jù)位和4個控制位。其功能框圖和外部引腳如圖4-2，其中SCLK為時鐘輸入端口；CS為片選信號端，當其置低時芯片被選中，并激活輸入端口；DIN為串行數(shù)據(jù)輸入端口，包含4位控制位和12位數(shù)據(jù)位；OUTA和OUTB均為模擬電壓輸出端口；REF為基準電壓，VDD為正電源；TLV5618具有兩倍增益輸出。圖4-3TLV5618時序圖如圖4-3為TLV5618時序圖，片選信號置低后，在時鐘下降沿時，進行數(shù)據(jù)的由高至低位移入。片選信號被置高或完成一組數(shù)據(jù)傳輸時，寄存器中存儲內容根據(jù)用戶定制，被送至下一目標區(qū)域。具體方向由16位數(shù)據(jù)位中的控制位決定。TLV5618的工作模式、轉換速率及掉電功能均可編程控制，其16位編程位入表4-1：表4-1可調諧FFP性能指標D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0R1SPDPWRR0MSB12位數(shù)據(jù)位LSB其中前4位為編程位，后12位為數(shù)據(jù)位。編程位包含：1)SPD：速度控制位1：快速模式0：低速模式2)PWR：電源控制位1：掉電模式0：正常工作3)R1與R2決定通道及數(shù)據(jù)走向。4)上電時，SPD和PWR自動復位為0，即處于低速模式正常工作。表4-2列出R1和R2可能的組合類型：表4-2R1、R2組合類型R1R0描述00將數(shù)據(jù)寫入DACB和緩沖區(qū)01將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)21 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)10將數(shù)據(jù)寫入DACA并將緩沖內容送至DACB11保留其余12位數(shù)據(jù)位則由寄存內容決定。這里我們使R1為1，R2為0，同時選通兩個通道。下面將分模塊介紹FPGA控制TLV5618產生鋸齒波驅動電壓的設計：首先通過計數(shù)分頻模塊產生SClk時鐘信號：reg[4:0]cnt_div;regSClk;always@(posedgeClk)beginif(cnt_div<5’d15)SClk<=1’b0;elseSClk<=1’b1;cnt_div<=cnt_div+1’b1;end首先定義5bit寄存器類型分頻計數(shù)參量cnt_div，并使其自加，在0-31間自加1循環(huán)。并根據(jù)cnt_div值的判斷對系統(tǒng)時鐘進行32分頻，得到TLV5618的驅動時鐘信號。reg[4:0]cnt_group;//產生預分組信號regDA_En;always@(posedgeSClk)beginif(cnt_group<5’d18)DA_En<=1’b0;elseDA_En<=1’b1;cnt_group<=cnt_group+1’b1;end上段代碼功能為在SClk激勵下產生一組信號18位的選通空間，并由下一個always塊中的case語句對16位數(shù)據(jù)信號賦值。`defineR11'b1`defineSPD1'b0`definePWR1'b0`defineR01'b0alwaysbegin22 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)PR_Data[3]<=`R1;PR_Data[2]<=`SPD;PR_Data[1]<=`PWR;PR_Data[0]<=`R0;endalways@(posedgeClk1)if(!Rst_n)beginCnt2<=5'd0;CS_n<=1'b1;endelsebeginif(DA_En==0)beginif(Cnt2<=5'd16)beginCS_n<=1'b0;case(Cnt2)5'd0:beginDA_DATA<=PR_Data[3];Cnt2<=5'd1;end5'd1:beginDA_DATA<=PR_Data[2];Cnt2<=5'd2;end5'd2:beginDA_DATA<=PR_Data[1];Cnt2<=5'd3;end5'd3:beginDA_DATA<=PR_Data[0];Cnt2<=5'd4;end5'd4:beginDA_DATA<=DA_Data[11];Cnt2<=5'd5;end5'd5:beginDA_DATA<=DA_Data[10];Cnt2<=5'd6;end5'd6:beginDA_DATA<=DA_Data[9];Cnt2<=5'd7;end5'd7:beginDA_DATA<=DA_Data[8];Cnt2<=5'd8;end5'd8:beginDA_DATA<=DA_Data[7];Cnt2<=5'd9;end5'd9:beginDA_DATA<=DA_Data[6];Cnt2<=5'd10;end5'd10:beginDA_DATA<=DA_Data[5];Cnt2<=5'd11;end5'd11:beginDA_DATA<=DA_Data[4];Cnt2<=5'd12;end5'd12:beginDA_DATA<=DA_Data[3];Cnt2<=5'd13;end5'd13:beginDA_DATA<=DA_Data[2];Cnt2<=5'd14;end5'd14:beginDA_DATA<=DA_Data[1];Cnt2<=5'd15;end5'd15:beginDA_DATA<=DA_Data[0];Cnt2<=5'd16;end5'd16:beginCS_n<=1'b1;Cnt2<=5'd17;enddefault:beginCS_n<=1'b1;endendcaseendendend23 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)上段代碼根據(jù)TLV5618的datasheet中的時序要求，在DA_En預選通信號中，首先將選通信號CS_n置低，選通芯片進行工作，然后進入case語句，對16位的數(shù)據(jù)位進行賦值，賦值結束后拉高選通信號CS_n，結束本次全數(shù)據(jù)的賦值過程，完成一次轉換。TLV5618為12bit，故在產生鋸齒波信號時，12位數(shù)據(jù)位由0遞增至4095。由此在32分頻基礎上所輸出的鋸齒波電壓信號的頻率為：Clk/32/32/4096=50000000/4194304=11.92Hz。使用QuartusII綜合后生成TLV5618控制模塊符號為：圖4-4TLV5618控制模塊將程序下載配置后，使用示波器測得TLV5618輸出電壓波形為：圖4-5數(shù)模轉換器輸出電壓電示波器輸出圖4-5，所輸出的鋸齒波電壓信號Vp-p的接近電源VDD(5V),且在此次相位累加設定中，該鋸齒波上升沿為0-5V遞增，頻率為11.92Hz，與預期完全一致。由于本實驗所使用的FFP掃描每個自由光譜區(qū)需要約18V的電壓變化范圍，故需要將此信號進行放大處理。本實驗使用LM358做一次正向線性放大后使用三24 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)極管做電壓跟隨器后輸出：圖4-6TLV5618輸出鋸齒波放大前后圖由圖4-6可知，所測得的TLV5618放大前后鋸齒波電壓信號信息。放大后電壓信號線性度好，且電壓值接近所預設的18V，可以用于驅動FFP。4.3非線性補償功能驅動電路的設計PZT本身具有的遲滯、蠕變等非線性效應以及環(huán)境的影響等，會影響PZT形變的線性度，這使得F-P腔的腔長變化為非線性，從而使光纖F-P濾波器的掃描為非線性掃描，這影響了波長測量的線性度及精度。為了補償PZT的非線性效應，大部分的文獻中都加入了額外的硬件補償電路，這樣既造成了成本的上升，又局限了該驅動裝置的適用能力。基于此，本文提出一種基于FPGA的DDS技術的PZT驅動非線性補償方案，通過對DDS波形查找表ROM中的波形存儲值進行校正，從而根據(jù)FFP的非線性特性定制ROM表存儲值，從來改變鋸齒波上升沿電壓的增長特性，使其線性掃描，這樣使得PZT的非線性效應得到有效補償。該補償方法，不需要任何其他額外的硬件設備，具有成本低、精度高、適用性強等特點。4.3.1DDS技術介紹數(shù)字合成器DDS（DirectDigitalSynthesizer），是一種新型的頻率合成技術，是從相位概念直接合成所需波形的一種合成技術，可根據(jù)用戶需要定制波形，其具有帶寬寬、分辨率高、相位連續(xù)性好、轉換速率快，容易實現(xiàn)對相位幅度和頻25 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)率等量的數(shù)控調制等優(yōu)點，故在通信等領域被廣泛應用。DDS的基本結構圖如圖4-7所示：圖4-7DDS組成機構圖PhaseROMD/ALPFAccumulator圖4-8DDS信號流程圖如圖4-7、4-8，DDS主要由相位調制器，相位累加器，波形查找表，和數(shù)模轉換器構成。相位累加器由N位寄存器和M位累加器構成。DDS工作過程如下：FPGA每檢測到時鐘上升沿，系統(tǒng)將相位寄存器的當前值與頻率控制字相加，通過這樣的逐次相加使得相位寄存器的輸出線性增長。而相位寄存器的輸出作為波形查找表ROM中的相位采樣地址的輸入，通過相位寄存器的輸出查找出該地址上波形對應的幅值，并將該幅值輸出給D/A轉換器，由D/A轉換器完成數(shù)字值到電壓的對應轉換輸出。由于相位累加器為N位，相當于把所要輸出波形在相位上的精度定義為N位，其分辨率為1/2N，系統(tǒng)時鐘頻率Fclk，頻率控制字fword為N，則輸出頻率為Fout=Fclk/2N，這個頻率相當于“基頻”，當fword為B時，則輸出頻率為：FclkFout?B?(4-1)N2當系統(tǒng)時鐘頻率不變時，頻率控制字M決定輸出信號的頻率，由上式可得：NFoutB?2?(4-2)Fclk其中B為頻率控制字，注意B要取整，有時會有誤差，在本設計中，N取32位。在本設計中使用DDS數(shù)模轉換芯片為12bit，故取12位的ROM表。26 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)4.3.2基于DDS技術的F-P驅動電源設計圖4-9驅動電路FPGA編程環(huán)境下RTL原理總框圖圖4-10DDS詳細模塊RTL視圖圖4-9為在FPGA的編程軟件QuartusII環(huán)境下基于Verilog語言編程后所生成的RTL總框圖。由圖中，我們看到整個FFP驅動電路各模塊及模塊間的數(shù)據(jù)流向信息。工作原理如下：系統(tǒng)時鐘clk分兩個流向，一路進入u4單元，即DDS模塊；另一路進入u5單元，即數(shù)模轉換芯片TLV5618模塊使能TLV5618工作。圖4-10則是圖4-8中DDS模塊的具體功能模塊，包括上一小節(jié)圖4-6中所提到構成DDS結構的幾個重要組成模塊：相位調制器，相位累加器，波形查找表ROM及數(shù)據(jù)流向等信息。用戶將鋸齒波的數(shù)字信息錄入saw_rom中存儲，adder_32及reg32模塊協(xié)同完成相位的累加和輸出電壓信號的頻率控制，最終輸出12位的address，用于查找saw_rom表中存儲的鋸齒波波形信息。然后輸出給DDS芯片TLV5618功能模塊，完成鋸齒波驅動電壓信號的輸出。4.3.3補償前F-P濾波器掃描特性裝置連接方案如圖4-11，圖4-11波長檢測裝置FFP加載驅動電源后，對波長進行掃描，得到驅動電壓值與FFP透過峰的中27 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)心波長與對應驅動電壓值的關系如表4-3：表4-3PZT加載電壓與FFP對應的透過光波中心波長voltage(V)CentralWavelength(nm)voltage(V)Centralwavelength(nm)21567.88151555.8682.11567.6635.51553.6562.21567.34661551.3642.31567.0226.51549.1092.41566.62771546.8492.51566.2487.51544.4332.61565.91481542.0992.71565.5438.51539.6982.81565.11491537.1472.91564.7339.51534.73931564.389101532.2333.21563.56610.21531.2123.41562.66310.41530.2453.61561.81110.61529.1613.81561.01710.81528.21741560.303111527.1224.21559.38311.11526.5664.41558.47411.21526.0864.61557.61811.31525.5044.81556.674由表4-2數(shù)據(jù)，線性擬合后，得到以下表圖信息：圖4-12PZT驅動電壓與對應中心波長線性擬合圖由圖4-12，由于FFP的自由光譜區(qū)大于ASE光源從1525nm-1568nm共43nm的光譜寬度。由實驗得，當加載在PZT上電壓在2v-11.3V時，F(xiàn)-P濾波器對應掃描了ASE寬帶光源的1567.8nm-1525.5nm范圍。采用線性擬合后，得中心波長?與28 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)PZT加載電壓U的關系式為：λ?-4.59003U1578.17788?(4-3)線性擬合后，截距標準差為0.18403nm，最大離散值為1.117nm。說明，本套裝置已成功驅動FFP完成波長掃描功能，但要使其線性掃描還需要做補償工作。首先，將實際波長數(shù)據(jù)與線性擬合直線波長相減的離散差值提取，如圖4-13：圖4-13離散分布情況由圖4-13易知，非線性效應導致的離散分布具有明顯特征，對其做二次方擬合得到關系式：2???-0.07532U?0.99859U2.47736?(4-4)式4-4的擬合度為0.97059?？芍?，每一個不同電壓值處對應的實際中心波長與線性擬合后波長的差值對波形查找表ROM中的值進行修正從而達到線性補償效果。4.3.4補償后F-P濾波器掃描特性ROM中波形數(shù)據(jù)補償方法如下：首先，根據(jù)12位數(shù)模轉換器的轉換原理，ROM中的值對應于放大后電壓的0V，同樣的滿幅值212（4096）對應于峰值電壓18V。又當加載在PZT上電壓在2v-11.3V時，F(xiàn)-P濾波器對應掃描范圍為1567.8nm-1525.5nm，即ASE光源的輸出光譜波長范圍，得到下式：?4096UN=?018?32?4096U-0.07532U?0.99859U?2.47736U?ΔN=Δλ?(4-5)?1818??N=NΔN0+?29 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)如式4-5，其中N0為ROM中原始對應鋸齒波上升沿的線性增長的數(shù)值；U為用戶確定常變量，用于查找ROM中的值N0；?N為所需校正值的大小；??是電壓為U時對應的波長離散值，由式4-2可求；N為對應與U處校正后的值，即最終需要在ROM中輸入的值。如U取2V時，由式4-2和4-3求得對應原始ROM中的值N0=455，??=-0.78148，?N=-356，N=99故求得對應于2V時波形查找表ROM內的值更新為99，即可完成補償。將式4-5中上面兩項N0及?N帶入第三項公式，得：32N?-17.139484U?227.234702U?563.73703U(4-6)可直接利用式4-6生成波形查找表ROM中的值后，實驗測得PZT對應修改前電壓值所在位置與對應的透過光波中心波長：表4-4PZT加載電壓與對應的透過光波中心波長voltage(V)CentralWavelength(nm)voltage(V)Centralwavelength(nm)21568.87771546.3122.51566.6207.51543.99431564.35581541.6963.51562.1388.51539.32941559.93091536.9724.51557.6609.51534.63051555.378101532.3055.51553.13110.51529.96861550.853111527.6686.51548.599線性擬合得：15801575Thedataaftercompensating1570Thefittingdata156515601555155015451540Centralwavelength(nm)1535153023456789101112Voltage(V)圖4-14線性補償后PZT驅動電壓與對應中心波長線性擬合圖30 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)圖4-15線性補償后離散分布情況圖4-14，圖4-15是通過對波形查找表ROM中的值按本文方法進行線性補償后，實驗測得數(shù)據(jù)，由Origin軟件擬合后得到結果。補償后線性度達到0.997，離散差值對應于掃描波長漂移，該值從補償前的1.117nm被有效地控制在小于0.2nm范圍內，漂移量降低至原來的17%。這說明通過使用DDS技術對FFP非線性補償目標已完成。在補償后的驅動電源驅動時，F(xiàn)FP對波長成線性掃描。但在FFP工作時，仍受到外界溫度和PZT微小蠕變等因素的影響，依然存在較小的非線性度，所以仍然存在小于0.2nm范圍的漂移。4.4數(shù)據(jù)采集模塊的設計4.4.1A/D驅動控制模塊將可調諧F-P驅動電源加載到PZT兩極，按本文所設計的如3-1系統(tǒng)結構圖連接裝置，將光電探測器輸出的電信號通過高頻探測線直接接入示波器得到：31 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)圖4-16示波器接收光電探測器信號本套系統(tǒng)共連接了三根光柵，圖4-16中在驅動電壓上升沿階段，掃描并解析出三個光纖布拉格光柵的返回光波。當連接兩根光柵時示波器對應顯示兩個光譜?？沙醪秸J為解調系統(tǒng)前端FFP的驅動部分已完成。接著則需要由FPGA控制模數(shù)轉換（A/D）芯片進行數(shù)據(jù)采集，本系統(tǒng)使用TLC549芯片對光電探測器輸出信號進行數(shù)據(jù)采集：圖4-17TLC549電路模塊32 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)圖4-18TLC549時序圖如圖4-17和圖4-18示，TLC549為8位串行模數(shù)轉換器芯片，具有三條通用串行接口，分別為時鐘CLK，片選信號/CS和數(shù)據(jù)輸出端口DATAOUT。其具有4MHz片內時鐘，轉換時間最長17us，總失調誤差最大為±5LSB，功耗為6mW。通常采集一組的控制時序為：當/CS信號由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，TLC549芯片被選通，同時上一次的轉換結果最高位A7從DATAOUT端輸出，接著時鐘端出入8個外部的時鐘信號，前次剩余7個低位的數(shù)據(jù)分配7個外部時鐘信號，最后剩余一個時鐘信號的下降沿被檢測，使片內采樣/保持電路進入保持模式，模數(shù)轉換開始。在第4個時鐘信號的下降沿，芯片對所輸入的模擬量開始進行采樣，到第8個時鐘信號的下降沿芯片再次進入保持模式，并開始模數(shù)轉換。always@(posedgeClkornegedgeRst_n)if(!Rst_n)Cnt1<=11'd0;elseif(!En)Cnt1<=11'd0;elseif(Cnt1==11'd1310)Cnt1<=11'd0;elseCnt1<=Cnt1+1'b1;//依據(jù)外部轉換使能信號控制內部轉換進程always@(posedgeClkornegedgeRst_n)if(!Rst_n)En<=1'b0;elseif(En)En<=1'b1;elseif(Cnt1==11'd1310)En<=1'b0;//8位數(shù)據(jù)接收進程always@(posedgeClkornegedgeRst_n)if(!Rst_n)33 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)beginADC_Clk<=1'b0;ADC_Cs_n<=1'b1;ADC_Busy<=1'b0;data_tmp<=8'd0;Done_Flag<=1'b0;Data<=8'd0;endelseif(En)begincase(Cnt1)1:beginADC_Cs_n<=1'b0;ADC_Busy<=1;end71:beginADC_Clk<=1;data_tmp[7]<=ADC_Din;end96:ADC_Clk<=0;121:beginADC_Clk<=1;data_tmp[6]<=ADC_Din;end146:ADC_Clk<=0;171:beginADC_Clk<=1;data_tmp[5]<=ADC_Din;end196:ADC_Clk<=0;221:beginADC_Clk<=1;data_tmp[4]<=ADC_Din;end246:ADC_Clk<=0;271:beginADC_Clk<=1;data_tmp[3]<=ADC_Din;end296:ADC_Clk<=0;321:beginADC_Clk<=1;data_tmp[2]<=ADC_Din;end346:ADC_Clk<=0;371:beginADC_Clk<=1;data_tmp[1]<=ADC_Din;end396:ADC_Clk<=0;421:beginADC_Clk<=1;data_tmp[0]<=ADC_Din;end446:beginADC_Clk<=0;ADC_Cs_n<=1'b1;end447:beginData<=data_tmp;Done_Flag<=1'b1;end448:Done_Flag<=1'b0;1310:ADC_Busy<=0;default:;endcaseendelsebeginADC_Cs_n<=1'b1;ADC_Clk<=1'b0;ADC_Busy<=0;endEn信號對TLC549進行使能，En在一個時鐘周期的高脈沖使能AD進行一次34 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)轉換。每50個系統(tǒng)時鐘周期使能ADC_Clk取高電平進行一次采樣，完整采樣后，將TLC549成功轉換標志Done_Flag置高，用于和其他模塊進行功能對接。圖4-19AD數(shù)據(jù)采集檢測按圖4-19連接儀器，并加載兩根光纖布拉格溫度傳感光柵，光電探測器輸出電信號，分為兩路，一路直接進入示波器；另一路則被FPGA控制的TLC549模數(shù)轉換芯片采集，并在FPGA內部使用在線邏輯分析儀對信號進行捕捉。將輸出的數(shù)據(jù)使用Origin軟件進行描點連線得到：圖4-20示波器圖圖4-21AD采集數(shù)據(jù)模擬圖35 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)對比圖4-20，4-21兩張圖，圖4-21為示波器所顯示的圖，其中，藍色的電壓信號為可調諧光纖F-P濾波器的驅動電壓信號，在鋸齒波驅動電壓信號的上升沿掃描到兩根傳感光柵的返回光波，形成兩個峰。而由于存在一定的磁滯效應鋸齒波下降沿受到非線性的影響，形成一個快速下降的下降沿，故也會存在時間差很小的峰被示波器采集到。4-22圖則為AD采集到的數(shù)據(jù)，在Origin軟件下連線而成，這樣可以直觀的看到，對應于鋸齒波驅動電壓上升沿所掃描出的兩個峰。AD采集的有效數(shù)據(jù)如表4-7，對應于b圖的實驗：表4-5AD采集對應有效數(shù)據(jù)由表4-5知，包括下降沿無效的兩組波長和8組有效的布拉格光纖光柵返回光波的波長有效值。每個有效的反射光波具有6至7個有效值，橫坐標相對的掃描時間對應于圖4-20中的峰值位置。結合圖4-20及表4-7對應實驗數(shù)據(jù)，做如下幾組對比：1.每個上升沿對應的兩個不同光柵之間返回光波的相對時間差。第一個鋸齒波驅動電源的上升沿對應強度最大值的相對時間分別為52和79，差值為27；類似的，下一個上升沿對應相對時間值分別為518和545，差值為27；第三組為984和1012，差值為27；2.對于處在下降沿的兩組光波，其中心波長分別為：320和324；786和790。差值均為4；3.對于同一根光柵在驅動電壓的不同上升沿掃描時，第一根光柵的強度最大值所對應的相對時間分別為：52、518、984，相鄰差值為466；第二根光柵分別為：79、545、1011，相鄰差值為466；36 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)對于處在下降沿的兩組隨不具有有效的解調功能，但同樣具有一定的周期參考性，相位時間位置320和786，差值466；324和790，差值為466。以上數(shù)據(jù)均為實驗測得的實際數(shù)據(jù)，未經(jīng)任何算法擬合。在如此情況下，通過上述三方面的對比分析，各組數(shù)據(jù)點之間的間距完全匹配，故本套解調方案的精度具有非常高的可靠性。4.4.2串口發(fā)送模塊串口，即串行接口，是一種采用串行通信方式的接口作為擴展。串口發(fā)送協(xié)議如下：圖4-22串口發(fā)送協(xié)議串口發(fā)送數(shù)據(jù)位格式如圖4-22，在用戶定制的固定波特率時鐘激勵下，在發(fā)送線上一個字節(jié)數(shù)據(jù)包含10位信息。在無數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)時，傳輸線上始終為高電平，當發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先發(fā)送低電平的起始位，接下來按由低位至高位發(fā)送8位有效數(shù)據(jù)位，然后發(fā)送高電平的停止位。always@(posedgeClkornegedgeRst_n)if(!Rst_n)Rs232_Tx<=1'b1;elsebegincase(bps_cnt)0:Rs232_Tx<=1'b1;1:Rs232_Tx<=START_BIT;2:Rs232_Tx<=r_data_byte[0];3:Rs232_Tx<=r_data_byte[1];4:Rs232_Tx<=r_data_byte[2];5:Rs232_Tx<=r_data_byte[3];6:Rs232_Tx<=r_data_byte[4];7:Rs232_Tx<=r_data_byte[5];8:Rs232_Tx<=r_data_byte[6];9:Rs232_Tx<=r_data_byte[7];10:Rs232_Tx<=STOP_BIT;default:Rs232_Tx<=1'b1;37 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)endcaseend以上為該發(fā)送協(xié)議FPGA中Verilog代碼的實現(xiàn)，在該always塊中，若系統(tǒng)未復位，則置高數(shù)據(jù)總線，復位完成后，進入case語句，按照用戶定制的位計數(shù)器bps_cnt作用下進入不同分支，其中為位計數(shù)，由0自加1，當其計數(shù)至11時，歸零并重復自加過程。case分支對應于數(shù)據(jù)線由高電平，到起始位，再發(fā)送對應數(shù)據(jù)位后發(fā)送停止位。需要強調的是，串口通信中對于波特率的設定。在串行接口通信中波特率支持從9600bps至921600bps。如用戶需要常用的9600Hz的波特率時鐘信號，由于所使用的FPGA卡板的系統(tǒng)晶振時鐘為50MHz，每個時鐘周期為20ns，通過計數(shù)完成該波特率時鐘信號。頻率為9600Hz，對應周期為1000000/9600=104.17us，只需要對系統(tǒng)時鐘每進行104170/20=5028次計數(shù)后產生一個時鐘周期的高電平即可。通過建立testbench測試平臺來驗證串口發(fā)送模塊功能。在測試平臺中對時鐘信號，復位信號，串口總線數(shù)據(jù)和波特率等輸入信號進行激勵設定，來檢測輸出信號是否正確。設定后得到圖4-22：圖4-23串口發(fā)送仿真結果由圖4-23得，該串口發(fā)送模塊功能成功實現(xiàn)。首先完成系統(tǒng)復位，復位后將發(fā)送使能信號send_en置高并設定所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)data_byte為8位數(shù)據(jù)11001101（此為二進制形式表示），可以清晰的觀察到，串口發(fā)送模塊的輸出信號Rs232_Tx的輸出情況。在系統(tǒng)復位未完成或發(fā)送未使能時，輸出信號線保持高電平，當復位完成后，當使能發(fā)送置高時，串口狀態(tài)信號uart_state置高，并開啟發(fā)送過程：在波特率時鐘bps_clk上升沿時，發(fā)送數(shù)據(jù)線Rs232_Tx上的數(shù)據(jù)，在波特率計數(shù)器bps_cnt自加計數(shù)，起始位數(shù)據(jù)0對應于bps_cnt=1時，接著按照串口發(fā)送協(xié)議由低位至高位發(fā)送10110011，然后停止位數(shù)據(jù)1對應于bps_cnt=10的位置。即完成一次字節(jié)發(fā)送，完成后將發(fā)送完成信號Tx_Done置高一個時鐘周期，用來和串口接收或其他模塊進行同步協(xié)作。接著，當再次接收到串口發(fā)送使能信號時，開啟新的按字節(jié)將數(shù)據(jù)發(fā)送過程。38 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)串口發(fā)送模塊在本解調系統(tǒng)中將模數(shù)轉換器TLC549的采集信息發(fā)送至上位機。其上傳設計如下：在本套解調系統(tǒng)中，解調過程是連續(xù)的，即可調諧光纖F-P濾波器持續(xù)不斷的在掃描，模數(shù)轉換芯片也在不間斷的對數(shù)據(jù)進行采集，所采集到的數(shù)據(jù)則是對應于各個驅動電壓上升沿的可調諧濾波器的周期性掃描過程。故需要精確定位單個上升沿單個周期內的單次掃描數(shù)據(jù)進行摘取，即對每一周期的有效數(shù)據(jù)前加標志位信息，并通過串口發(fā)送，然后由上位機識別標志位，并通過圖表波形形式對波長信息進行還原。有效數(shù)據(jù)標志位的設定，既然是標志位，則應該與有效數(shù)據(jù)有所區(qū)別，本課題設定標志位設定為三位數(shù)據(jù)，第一位為半高寬127，第二位為0，第三位為滿值255，這樣的極端變化情況正常的有效數(shù)據(jù)幾乎不可能產生。當每一次驅動電壓預設值歸零后，使能串口先發(fā)送這三位標志位后，接著發(fā)送采集到的有效數(shù)據(jù)。下圖為使用QuartusII中的嵌入式邏輯分析儀對標志信號進行抓?。簣D4-24數(shù)據(jù)頂端標志位數(shù)據(jù)的抓取由圖4-24可知，在0時刻觸發(fā)條件滿足，取得數(shù)據(jù)線的前三位數(shù)據(jù)分別為16進制數(shù)7F、00、FF，即我們所設定的十進制數(shù)127、0、255。表明有效數(shù)據(jù)的分組標志位被成功設定。設定完成后，連接設備，使用串口調試軟件對數(shù)據(jù)進行接收，得：圖4-25串口調試讀取數(shù)據(jù)39 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)首先配置串口的基本測試參數(shù)，根據(jù)所設定的波特率及發(fā)送方式，選擇波特率115200bps，無校驗位，一位停止位。得到如圖4-25，三字節(jié)標志位7F、00、FF周期出現(xiàn)，一組數(shù)據(jù)在標志位之間，達到預期。即硬件部分的從采集到發(fā)送功能已實現(xiàn)，上位機編程后可直接使用該發(fā)送數(shù)據(jù)，并根據(jù)該數(shù)據(jù)繪制還原傳感光柵組的反射光譜。4.4.3串口接收模塊在上一小節(jié)中串口發(fā)送模塊的功能是將模數(shù)轉換器采集到的數(shù)據(jù)信息上傳給上位機。而在實際工程應用中，還需要通過上位機對采集模塊進行控制，如本模塊中對模數(shù)轉換器的采集速率串口發(fā)送的速率等進行設定或改變。故需要完成對串口接收模塊的功能設計。本課題將4.4.2小節(jié)中串口發(fā)送模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)作為要接收的信號激勵，形成如圖4-26測試平臺：圖4-26串口接口測試平臺框架得仿真結果為：圖4-27串口接收仿真結果由圖4-27清晰知道，如4.3節(jié)串口發(fā)送設定發(fā)送數(shù)據(jù)位8位11001101（此為二進制數(shù)表示形式），在最初串口接收線上數(shù)據(jù)沒有數(shù)據(jù)，當發(fā)送線上取得有效數(shù)據(jù)后，考慮到實際工程中所存在的亞穩(wěn)態(tài)等影響，我們使得串口發(fā)送的波特率時鐘在每一數(shù)據(jù)位的中間置高，這樣可以避免在數(shù)據(jù)建立時間不穩(wěn)定的毛刺或者受下一位數(shù)據(jù)的影響。在采集完一個字節(jié)數(shù)據(jù)后將接收完成信號Rx_Done置高一個時鐘周期，并對8位二進制數(shù)據(jù)成功接收。40 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)圖4-28串口接收板級測試如圖4-28，使用In-SystemSourcesandProbesEditor進行板級測試，同樣的發(fā)送和接收都選用115200bps波特率，實時接收到數(shù)據(jù)7F。4.5硬件部分RTL整體設計圖4-29硬件部分整體功能RTL視圖圖4-29是基于Verilog語言的解調系統(tǒng)硬件整體RTL框圖。完成以上各功能模塊后，建立工程頂層文件，并例化各部分功能模塊，從硬件系統(tǒng)整體角度出發(fā)，設置整體系統(tǒng)的輸入輸出端口,定義wire（線型）連接各功能模塊端口或同步信號。這里，主要通過D/A與A/D間同步信號DA_EN_AD完成FFP的壓電陶瓷所加載鋸齒波驅動電壓與數(shù)據(jù)采集模塊的同步，通過該同步信號來確定A/D采集的信號點與FFP驅動電壓值的對應關系；ADC_Busy和ADC_Flag信號來表示A/D的工作狀態(tài)，當A/D被使能后，按照圖4-18工作時序進行采樣和量化，ADC_Flag標志量化結束，ADC_Busy則表征一個采樣點的整個采集過程完成，這樣確保A/D41 南昌航空大學碩士學位論文第4章解調系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)自身的穩(wěn)定工作并方便與其他功能模塊完美配合。根據(jù)ADC_Flag和ADC_Busy，選定A/D空閑階段將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至串口發(fā)送模塊，確保了串口發(fā)送模塊數(shù)據(jù)的正確性與連續(xù)性。4.6本章小結本章主要介紹了解調系統(tǒng)硬件部分的設計與開發(fā)，先從系統(tǒng)整體需求出發(fā)分析細分功能模塊，依次闡述如下內容：1.使用FPGA編程控制TLV5618輸出鋸齒波電壓，根據(jù)F-P濾波器PZT驅動特性，使用運算放大器將該鋸齒波信號幅值放大至18V。2.基于DDS技術對F-P濾波器壓電陶瓷的非線性效應進行補償；通過補償，F(xiàn)FP掃描線性度為0.997，波長漂移從補償前的1.117nm被有效的控制在小于0.2nm范圍內，漂移量降低至原來的17%。3.介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并將所采集到的數(shù)據(jù)進行調制加載數(shù)據(jù)標志等，上傳至上位機。同時，針對重要部分的時序等代碼進行了詳細的描述。該過程每一步的功能實現(xiàn)都經(jīng)過從設計到仿真驗證到板級驗證，從而確保了正確性。42 南昌航空大學碩士學位論文第5章解調系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)第5章解調系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)5.1上位機軟件整體設計流程圖5-1上位機實現(xiàn)流程圖5-1為解調系統(tǒng)的上位機實現(xiàn)流程，其功能為讀取數(shù)據(jù)分組標志位和有效數(shù)據(jù)，并重建傳感光柵組反射光譜，且可以在線查詢各光柵的中心波長或該傳感光柵所處環(huán)境的傳感變量及其變化等信息。5.2上位機設計流程5.2.1數(shù)據(jù)讀取首先是對一組有效數(shù)據(jù)前的標志位進行讀取，并判斷是否通過驗證，若通過驗證則將一組數(shù)據(jù)進行緩存，然后一次性將一組數(shù)據(jù)讀取，經(jīng)過數(shù)值字符串間類型轉換，將一組數(shù)據(jù)在二維圖表中進行波形顯示，如圖5-2所示：43 南昌航空大學碩士學位論文第5章解調系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)圖5-2上位機實現(xiàn)流程通過調用VISA驅動對下位機FPGA通過串口發(fā)送的數(shù)據(jù)進行讀取，讀取后進行標志位的循環(huán)判斷，只有當連續(xù)三個字節(jié)數(shù)據(jù)依次為7F、00、FF（此為16進制表示形式）時，才會對標志位正確識別并進入數(shù)據(jù)緩存模塊，其他任何數(shù)據(jù)將無法通過該循環(huán)，從而達到檢測一組數(shù)據(jù)標志位的功能。數(shù)據(jù)標志位成功讀取后，將采集的有效數(shù)據(jù)按組讀出，并以字符串格式緩存，接著將字符串格式轉換為數(shù)值格式，并將數(shù)據(jù)有效傳輸給X-YGraph組建進行傳感光柵反射光譜的波形重建。圖5-3標志位接收圖圖5-3為上位機對串口數(shù)據(jù)進行連續(xù)采集時所檢測的標志位數(shù)據(jù)，此時未加載其他信號。數(shù)據(jù)線上成功接收7F、00、FF數(shù)據(jù)。表明數(shù)據(jù)標志位成功接收。44 南昌航空大學碩士學位論文第5章解調系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)圖5-4反射光譜采樣圖當連接兩根溫度傳感光柵和一根應力傳感光柵時時，得到如圖5-4周期顯示的有效采樣數(shù)據(jù)描點圖，此時，F(xiàn)FP掃描頻率為23.8Hz，TLC549采樣頻率為200KHz，每一組有466個數(shù)據(jù)點。將兩根溫度傳感光柵的反射光波區(qū)域放大得：圖5-5光譜區(qū)放大圖可以清晰看到兩根溫度傳感光柵反射譜，兩個峰的最大值分別出現(xiàn)在橫坐標為234和258，相差24。而測量左側峰對應傳感光柵中心波長約在1548.716nm附近（光柵反射光譜本身有微小漂移）；右側峰對應傳感光柵中心波長在1544.817nm。兩根光柵中心波長差約為4nm。兩根溫度光柵3dB帶寬分別為0.3nm、0.2nm，分別采到6個和4個有效值。由上述數(shù)據(jù)可得到，在FFP驅動電源掃描頻率為23.8Hz，AD芯片采樣時鐘速率為200KHz時，由二分法得該解調系統(tǒng)的絕對精確度為波長差4nm與最大值對應數(shù)據(jù)點距離24的比值的一半，即：4nm/24/2=0.08nm，即80pm。該方案暫定為方案一。在實際應用中，對溫度變化的靈敏度遠不需要每秒監(jiān)測近24次之多，故我們將里我們將系統(tǒng)掃描頻率減半至11.9Hz，采樣時鐘速率不變，進行方案二。這樣通過降低不必要的解調速率來獲得更高的系統(tǒng)分辨率。45 南昌航空大學碩士學位論文第5章解調系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)圖5-6反射光譜采樣圖圖5-7光譜區(qū)放大圖由圖5-6、圖5-7可知，在FFP掃描頻率減半，AD采樣頻率不變的情況下，一組信號的數(shù)據(jù)點數(shù)由466增至原來的兩倍932個，滿足采樣定律。兩個峰的最大值分別出現(xiàn)在橫坐標為467和516，相差59。對應原來峰值位置234和258，分析可得在所采信號頻率減半，采樣時鐘速率不變的情況下，方案二中516的位置對應于方案一中516/2采樣位置，在方案一的258位置取得最大值。而方案2中峰值出現(xiàn)在467采樣位置，方案一中對應峰值在234（對應于方案二中234*2=468采樣位置），而方案二中467采樣位置對應于方案一中234與233中間未采樣位置，這樣采樣點翻倍，系統(tǒng)獲得精確度提高。兩根溫度光柵分別對應11個和8個有效采樣數(shù)據(jù)。此時，根據(jù)采樣點分布，本解調系統(tǒng)的絕對精確度為4nm/50/2=0.04nm，及40pm。由此達成通過降低解調速率來獲得更高系統(tǒng)精度的目的完成。5.2.2基于L-M算法的光譜曲線擬合這里我們基于NI公司的提供的范例，基于本實驗性質進行二次開發(fā)，并成功擬合光柵組反射光譜中心值。46 南昌航空大學碩士學位論文第5章解調系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)圖5-8基于LM算法的高斯擬合程序圖首先將一組的數(shù)據(jù)接入，根據(jù)采樣點數(shù)設置一組初始數(shù)據(jù)轉換為一維數(shù)組并索引，然后進入波分檢測模塊，由于本系統(tǒng)光電探測等噪聲的影響，實測基底噪聲值不超過7，故設定尋峰閾為8來將白噪聲濾除，以滿足擬合所需收斂等條件。接著進行自動尋峰，并將自動尋峰控件尋找到的峰值個數(shù)輸出端口接入所要擬合的峰的個數(shù)輸入端，這樣可自動檢測并設置所要擬合峰的數(shù)量。通過檢測光譜的幅度得到峰值所處中心位置，并在X軸中心位置附近對采樣值進行插值處理，接著將待擬合數(shù)據(jù)打包并輸入Lev-Mar子VI進行擬合，擬合后變化為字符串格式輸入給XYGraph3進行波形顯示，另一方面對所擬合三個輸出結果的信息進行顯示。圖5-9基于LM算法高斯擬合波形圖由圖5-9可知，擬合尋峰準確找到了三個光譜，并經(jīng)由Lev-Mar子VI擬合后輸出三個擬合后譜線擬合中心值。5.2.3光柵反射光譜重建波形信息的反演工作，即在得到反射光譜后，將該擬合峰的采樣位置中心值轉換為波長信息，進一步的根據(jù)波長信息推導出傳感光柵對應敏感環(huán)境變量的變47 南昌航空大學碩士學位論文第5章解調系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)化情況。在對溫度傳感光柵的解調中，對傳感光柵反射光譜的中心波長標定工作一直是一個難點。本系統(tǒng)在解調方案最初設計階段就將一根應力光柵與兩根溫度傳感光柵組串聯(lián)構成光柵組。通過對該應力光柵反射光譜中心波長的測定，可以對整個解調系統(tǒng)的波長反演進行有效標定。橫坐標相對采樣位置的值與鋸齒波驅動電源的電壓值具有線性關系，而驅動電源的電壓值與FFP透過峰的中心波長值具有線性關系，故相對采樣位置的值與波長值成線性關系。即：??=X+b（5-1）式5-1，?為中心波長值，X為采樣點的數(shù)值，?為二者轉換比例系數(shù)，b為轉換常數(shù)。故要找到波長值與采樣點值之間的關系，只需確定轉換比例系數(shù)a和轉換差值b。同樣的，在LabVIEW編程環(huán)境下，要將橫坐標從相對采樣點轉換為波長信息，需要通過偏移量和縮放比例來完成。在反演過程中，首先得到對應兩根溫度傳感光柵光譜位置中心值的差值，記做?X，并由光譜儀測得兩根溫度光柵中心波長差值??。又FFP的工作特性為在驅動電壓上升沿上FFP對波長由大到小掃描，故縮放比例為：???=(5-2)?X由上式得到縮放比例系數(shù)?，在根據(jù)其中一根溫度光柵實測中心波長?0，對應采樣位置X0，得到橫坐標波長值?與采樣位置值X的關系為：?????0(XX)?0(5-3)帶入比例系數(shù)得：?????0??(XX)?0??0?(XX)?0(5-4)?X根據(jù)式5-3，即可完成橫坐標由采樣位置點到波長值分布的轉換。得到的轉換結果入如下圖：圖5-10波長信息反演結果48 南昌航空大學碩士學位論文第5章解調系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)從圖5-10，本解調系統(tǒng)經(jīng)擬合后中心波長精度可達0.1pm。由前面章節(jié)可知本系統(tǒng)使用的光源波長范圍約分布在1525nm至1570nm范圍內，故在LabVIEW上位機最終反演圖中，我們將橫坐標的波長范圍調節(jié)與光源范圍相同。波長解調圖5-10中最左側為應力傳感光柵，中心波長為1550.7156nm；其余兩根為溫度傳感光柵，中心波長分別為1548.9425nm、1545.0089nm。5.3系統(tǒng)性能及分析使用上位機對應力傳感光柵（FBG1，用來標定波長）和一根溫度傳感光柵（FBG2）的中心波長進行監(jiān)測。以中心波長在1550.7156nm的應力傳感光柵和1548.9425nm溫度傳感光柵為例，每隔1s讀取一次共10組數(shù)據(jù)：表5-1系統(tǒng)穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)組別FBG1中心波長?1/nmFBG2中心波長?2/nm11550.71561548.942521550.72081548.946831550.71091548.942241550.71331548.947851550.71821548.94461550.71631548.942471550.71821548.952581550.71301548.937591550.71091548.9388101550.71531548.9420各組波長變化情況趨勢如圖5-11：圖5-11波長分布趨勢如圖5-11所示，兩根光柵中心波長分布較平穩(wěn)。在LabVIEW前面板波形圖屬性中添加兩個標尺，使標兩個尺的值分別為表5-1中10組中心波長的平均值，得到：49 南昌航空大學碩士學位論文第5章解調系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)圖5-12應力傳感光柵波長趨勢對溫度傳感光柵解調系統(tǒng)中加入一根應力傳感光柵用來對波長進行標定，即在溫度解調時，認為該應力傳感光柵對溫度變化不敏感，其反射光譜中心波長保持不變。但如圖5-12，應力光柵存在接近10pm范圍漂移現(xiàn)象，該漂移即為系統(tǒng)的漂移量。引起解調系統(tǒng)波長漂移的原因是多方面的，如：1.傳感光柵自身的波長漂移；2.F-P濾波器壓電陶瓷的溫度漂移；3.驅動電源本身由D/A芯片精度影響，存在一定量的微小誤差；4.光電探測器的響應頻率所引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性的下降。基于解調系統(tǒng)存在一定漂移，在對溫度傳感光柵的波長解調時，為了消除系統(tǒng)漂移問題，實時測得的溫度傳感光柵與波長標定光柵返回光波的中心波長差可以更好的反應出溫度傳感光柵所處環(huán)境溫度的變化。根據(jù)表5-1得到溫度傳感光柵與波長標定光柵中心波長差值及其離散情況如下表：表5-2溫度傳感光柵與定標光柵中心波長差及離散情況組別??1?2?i??平均11.77310.001521.77400.002431.7687-0.002941.7655-0.006151.77420.002661.77390.002371.7657-0.005981.77550.003991.77210.0005101.77330.0017?平均1.771650 南昌航空大學碩士學位論文第5章解調系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)圖5-13溫度傳感光柵與定標光柵中心波長差如圖5-13并結合表5-2，對于溫度傳感光柵中心波長最大離散范圍為0.0039nm+0.0061nm=0.01nm，即10pm。經(jīng)多組實驗測量對比，該離散范圍不超過15pm。結合本系統(tǒng)所使用的溫度傳感光柵手冊可知其波長與溫度關系為：???T+?0(5-5)其中，光柵溫度敏感系數(shù)?=27.3pm/℃，溫度為零時光柵中心波長為?0。結合本系統(tǒng)溫度傳感光柵反射光譜的中心波長解調偏移范圍小于15pm，對應系統(tǒng)對溫度的解調精度小于0.55℃。5.4本章小結本章首先從整體角度介紹了上位機程序的整體設計流程，接著按組準確識別下位機FPGA上傳的數(shù)據(jù)（包括標志位數(shù)據(jù)和有效采樣數(shù)據(jù)），然后按組波形顯示。調用基于L-M算法曲線擬合子VI進行曲線擬合，確定峰值中心位置并轉換為波長信息。分析系統(tǒng)并根據(jù)實驗測定解調特性，中心波長解調離散范圍小于15pm，溫度解調精度小于0.55oC。51 南昌航空大學碩士學位論文第6章總結和展望第6章總結和展望6.1總結本文基于光纖光柵傳感機理，搭建了一套以FFP濾波器為解調工具，以FPGA為控制及通信總控制臺的光纖光柵溫度解調系統(tǒng)。本文主要對基于FFP解調的光纖光柵傳感系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)技術進行了研究。在硬件開發(fā)全部流程中，使用第三方EDA工具對控制程序進行仿真、使用QuartusII中在線調試工具進行實時板級調試工作，確保了整個系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性。1.測試了核心器件的性能，并根據(jù)所使用的FFP特性定制鋸齒波驅動電源。在驅動FFP工作工程中，發(fā)現(xiàn)FFP所具有的非線性效應，并通過FPGA內建DDS模塊對FFP掃描時的非線性效應進行有效的補償。補償后FFP波長掃描線性度達到0.997，離散差值從補償前的1.117nm被有效的控制在小于0.2nm范圍內，漂移量降低至原來的17%。2.編程開發(fā)數(shù)據(jù)采集模塊。由FPGA控制TLC549對光電探測器探測傳感光柵返回光譜所輸出的電信號進行采集，并與示波器采集結果進行對比，證明該采集模塊切實可行。3.設計開發(fā)適用于本解調系統(tǒng)的串口收發(fā)模塊。將采集模塊的采集數(shù)據(jù)按字節(jié)發(fā)送至上位機，并開發(fā)FPGA通過串口通信接收上位機控制信號，為上位機對FPGA控制的TLC549采樣速率、串口收發(fā)模塊波特率等信號的控制奠定基礎。4.對于上位機軟件方面，首先介紹了上位機軟件的整體結構；其次詳細說明了上位機對數(shù)據(jù)標志位和有效采樣數(shù)據(jù)的接收原理；5.基于L-M擬合函數(shù)子VI對傳感光柵反射光譜進行了擬合，將波長測量精度提高至0.1pm。6.針對FFP的漂移問題，采用應力光柵進行定標，通過測量實測光柵與應力光柵的差值，實現(xiàn)了對FFP漂移問題的補償。經(jīng)測試，本系統(tǒng)在采用波長擬合及定標光柵后，系統(tǒng)解調中心波長漂移小于15pm，結合所使用的傳感光柵溫度波長敏感系數(shù)27.3pm/℃,系統(tǒng)溫度解調精度小于0.55℃。52 南昌航空大學碩士學位論文第6章總結和展望6.2展望本解調系統(tǒng)從光路搭建到電路解調及完成上位機等功能模塊，已形成一套完整的解調方案，在好多方面仍有提升空間。對于今后工作的意見與可預見的提高如下：1.可對系統(tǒng)整體代碼進行優(yōu)化，可根據(jù)FFP的特性，尋找到更加適合于FFP掃描工作的掃描頻率，從而提高對波長掃描的準確度。2.本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊使用的是8bit的模數(shù)轉換器，在今后的研究中，可以適當提高，從而得到更加精細的量化值，或可考慮直接由高速高精度數(shù)據(jù)采集卡進行采集，進而利于更好的波長解調。3.本系統(tǒng)采用串口通信模塊，雖已足夠滿足本系統(tǒng)解調數(shù)據(jù)傳輸，但考慮到串口通信的適用度，可以考慮適用USB通信方式對信號進行有效傳輸。4.上位機軟件方面，界面友好程度可以進一步提高；本系統(tǒng)光譜擬合模塊是在上位機軟件部分完成，擬合速率依賴于上位機運算性能等方面，可以考慮在硬件部分完成基于適合的算法進行高速擬合。并開發(fā)出更友好的界面對所需變量進行實時顯示。另外，在上位機軟件部分加入報警功能，這樣可以實時監(jiān)控各光柵所處溫度變化，當有異常時可以及時采取措施。53 南昌航空大學碩士學位論文參考文獻參考文獻[1]饒云江,王義平,朱濤等.光纖光柵原理及應用.北京：科學出版社,2006.1～8[2]B.Zhang,M.Kahrizi.High-TemperatureresistancefiberBragggratingtemperaturesensorfabrication[J].IEEEsensorsjournal,7(4),586-591,2007.[3]J.Biqiang,Z.Jianlin,Q.Chxian.AnoptimizedstraindemodulationmethodbasedondynamicdoublematchedfiberBragggratingfiltering[J].OpticsandLasersinEngineering,49(3),415-418,2011.[4]YangMu,LiuXiuhong,LiuWei,etal..Appliedresearchofopticalfibersensorinoilandgaspipecorrosionmonitoring[J].Laser&OptoelectronicsProgress,2014,51(2):020604.[5]Benitez,D.;Gaydecki,P.A.;Zaidi,A.;Fitzpatrick,A.P.TheuseoftheHilberttransforminECGsignalanalysis.Comput.[J]Biol.Med.2001,31,399–406.[6]LingH,LauK,ChengL,etal..ViabilityofusinganembeddedFBGsensorinacompositestructurefordynamicstrainmeasurement[J].Measurement,2006,39(4):328-334.[7]LinJunxiu,WangWenhua,WangXiaoxu.Studyofapplicationandevolutionoffibergratingsensorstechnique[J].JournalofDalianUniversityofTechnology,2004,44(6):931-936.[8]Y.J.Rao,In-fiberBragggratingsensors[J],MeasSci&Tech,1997,8(4):355-357[9]HillKOetal.PhotosensitivityinOpticalFiberWaveguides:ApplicationtoReflectionFilterFabrication,AppliedPhysicsLetters,1978,32(10):647~649[10]MeltzG,MoreyWW,GlennWH.FormationofBragggratingsinopticalfiberbyatransversholographicmethod.OpticsLetters[J].1989,14:823-825[11]HillKO.BragggratingsfabricatedinmonomodephotosensitiveopticalfiberbyUVexposethroughaphasemask.AppliedPhysicsLetters[J].1993,62(10):1035-1037[12]P.J.Lemaire,R.M.Atidns,V.Mizrahi,etal.HighPressureH2LoadingasaTechniqueforAchievingUltrahighUVPhotosensitivityandThermalSensitivityinGeO2DopedOpticalfibers[J].Electron.Lett.,1992,29:119.[13]KerseyAD,BerkoffTA,MoreyWW.MultiplexedfiberBragggratingstrain-sensorsystemwithafiberFabry-Perotwavelengthfilter.[J].OpticsLetters,1993,18(16):1370-1372.[14]L.C.SNunes，L.C.GValente,A.M.BBraga.AnalysisofademodulationsystemforFiberBraggGratingsensorusingtwofixedfilters.OpticsandLasersinEnginnering[J].2004，42：529-542[15]杜衛(wèi)沖,譚華耀.一種簡單的增強光纖Bragg光柵溫度靈敏度的方法[J].中國激光,1997(1):75-77.[16]江毅,陳偉民.光纖光柵用于應變/溫度傳感初探[J].傳感技術學報,1997(3):43-47.[17]李營,張書練.基于可調諧F-P濾波器的光纖光柵解調系統(tǒng)[J].激光技術,2005,29(3):237-240.54 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南昌航空大學碩士學位論文攻讀碩士學位期間發(fā)表專利及參加科研情況攻讀碩士學位期間發(fā)表論文及參加科研情況發(fā)明專利龔強，萬生鵬，路浩亮.基于DDS的具有線性補償功能的光纖F-P腔驅動方法，發(fā)明專利，申請?zhí)枺?01510287182X實用新型專利路浩亮，萬生鵬，龔強.一種具有過載保護功能的光纖布喇格光柵稱重傳感器，實用新型專利，（已授權），申請?zhí)枺?014206170641參加主要科研項目1.國家自然科學基金“基于零相關窗互補碼和譜線擬合的自發(fā)布里淵光纖傳感技術研究”（編號：61067005）2.國家自然科學基金“基于梳狀頻譜探測光和圖像特征提取技術的BOTDA系統(tǒng)研究”（編號：61465009）57 南昌航空大學碩士學位論文致謝致謝本文是在萬生鵬教授指導下完成的，在研究生階段，萬老師對我的學業(yè)和個人發(fā)展給予了巨大的關懷和指導。導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的學術知識熏陶著我，使我在科研工作、學術素養(yǎng)方面有了很大提高；其忘我的工作熱情、對科學發(fā)展的敏銳洞察力深深影響了我，讓我終生受益。感謝408教研室，F(xiàn)105實驗室，布里淵散射實驗室的各位老師和師兄弟們，是你們給了我一個學術氛圍濃厚的科研環(huán)境。老師給予我細心的教導，師兄弟們相互討論學術、啟發(fā)靈感，使我提高了個人能力。深深感謝我的父母和家人，你們的時刻掛念和默默支持堅定了我求學道路上的決心和信心，你們永遠是我前進的動力。同時，感謝參加本次論文評審的專家和教授，感謝你們對本文提出寶貴意見。最后，謹以此文獻給所有參與我生活的人，有你們的人生更精彩！58 南昌航空大學碩士學位論文附錄附錄解調系統(tǒng)FFP及其驅動實物圖解調系統(tǒng)整體光路系統(tǒng)59 南昌航空大學碩士學位論文附錄解調系統(tǒng)整體圖60 南昌航空大學碩士學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的碩士學位論文，是我個人在導師指導下，在南昌航空大學攻讀碩士學位期間獨立進行研究工作所取得的成果。盡我所知，論文中除已注明部分外不包含他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究工作做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中作了明確地說明并表示了謝意。本聲明的法律結果將完全由本人承擔。簽名：日期：61