用于光纖布拉格光柵傳感的數(shù)字化光源設計.pdf

1、本文主要對光纖傳感領域中光源技術進行研究,以光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)作為敏感部件的傳感系統(tǒng)中,光源主要分兩大類,寬帶光源系統(tǒng)和利用可調諧激光器的窄帶光源系統(tǒng)。寬帶光源輸出功率不足,傳感信號信噪比低,解調精度不高;窄帶光源則可以克服這個缺點,但對激光輸出的穩(wěn)定性和精度等方面存在著較高的要求。因此本文設計了一種高精密的可調諧數(shù)字化光源,這種高精密的調諧電壓可實現(xiàn)精度為0.91pm的激光輸出波長調諧,

2、在這種高精密的電壓調諧基礎上,設計了一種基于電壓掃描的溫度漂移控制方法,這種算法可以精確的定位出溫度的變化,與傳統(tǒng)的原子吸收線定溫法相比,雖然精度上略有降低,但在成本和實用性上有著突出的優(yōu)勢,同時這種方法也可以解決傳感FBG的溫度交叉敏感問題。
　　本研究首先對于FBG傳感中用到的光源系統(tǒng)進行了分析,綜合各種光源系統(tǒng)的優(yōu)缺點,搭建出一種可調諧的窄帶寬數(shù)字化激光光源,這一系統(tǒng)的波長選擇裝置是可調諧光纖法布里-珀羅濾波器(Fiber

3、Fabry-Perot Tunable Filter, FFP-TF),利用數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)和高精密電壓模塊控制FFP-TF的電壓,輸出經調制的激光信號。對于濾波器FFP-TF存在的溫度漂移問題,設計了一種溫度漂移控制方法。實現(xiàn)過程:高精密電壓模塊輸出正弦掃描電壓,通過DSP中鎖相放大算法解調出FFP-TF和參考FBG的相對波長漂移,精確定位出溫度的變化,從解決光源的溫度漂移問

4、題。其次,利用分辨率為百萬分之一(ppm)的數(shù)模轉換芯片AD5791設計了高精度電壓控制板。輸入輸出部分采用外部緩沖放大器架構,以此緩沖來自3.4千歐電阻的基準電壓,通過選擇適當?shù)臑V波電路、高精度的參考電壓源和后續(xù)高規(guī)格的印制電路板設計,實現(xiàn)了精度為0.228 mV、積分非線性誤差為12個最低有效位(Least Significant Bit, LSB)、微分非線性誤差為的電壓為2.5個LSB的高精密電壓輸出。用DSP的通用輸入輸出接口

5、實現(xiàn)了數(shù)模轉換芯片的驅動設計,輸出三角波或正弦等調制信號,控制激光器的輸出波長變化,可以實現(xiàn)輸出激光的大范圍快速掃描,后續(xù)的溫度漂移控制方法程序也是利用DSP實現(xiàn)的。最后,對可調諧激光光源的輸出穩(wěn)定性及溫度漂移現(xiàn)象做了系統(tǒng)的測量,實驗中測量了濾波器FFP-TF的溫度漂移曲線和參考FBG的溫度漂移曲線。以此作為基礎,在溫度漂移控制實驗中,通過記錄溫度變化產生的FFP-TF和FBG的相對波長漂移,利用漂移控制方法計算出溫度變化,實現(xiàn)光源的定