宽光谱干涉型法珀传感器信号的高速数据采集与处理.pdf

中文摘要 摘 要 宽光谱干涉型光纤法珀传感器除了具有光纤类传感器的抗电磁干扰能力强、 稳定性好、体积小的特点外，还具有测量精度高、大量程的优点，因而在大型结构 健康监测、航空飞行器性能检测等领域具有很大的应用前景。然而，在常规的光纤 法珀测量系统中，通常是采用光谱仪对宽光谱干涉信号进行密集光谱采集，以保证 其测量精度。由于宽光谱干涉信号的完整光谱数据量极大，导致采集及计算处理极 为耗时，使系统的测量速度下降，难以满足高速动态测量应用中的需求。 要突破系统测量速度的限制，就必须在确保其解调精度的条件下，同时从宽光 谱干涉信号的数据采集与解调处理两个环节突破。在解调处理上，实验室应用最大 似然参数估计解调算法，将光谱采样数据量减少两个数量级的基础上，仍然保证原 有精度，为大幅度减少光谱数据采集量奠定了理论基础。因此需要在宽光谱干涉信 号的数据采集上做相应的突破，开发针对宽光谱干涉型光纤法珀传感器的稀疏光 谱高速采集及解调系统。本文主要完成以下研究内容： ①针对法珀传感器的宽光谱干涉信号表达式，推导出不同腔长下的宽光谱干 涉信号在离散采样时满足要求的采样点数范围，仿真分析了最大似然估计算法对 不同采样量的光谱数据的解调误差。 ②根据采样点数范围确定对宽光谱干涉信号的采集需求量（即光通道），调研 国内外多通道数据高速采集的实现方式，并结合目前市场上数据采集模块的情况， 对关键器件进行了分析与选型。 ③根据稀疏光谱高速采集及解调系统的总体设计方案，基于 FPGA 为控制器 完成了光谱采集和通讯电路设计，并测试了硬件模块中的各个环节；根据算法原理， 基于LabVIEW 平台设计了光纤法珀传感器腔长实时解调程序。 ④搭建稀疏光谱高速采集及解调实验系统，设计实验方案，验证实验系统的整 体性能。通过静态实验，验证了稀疏光谱采样硬件系统具有可行性以及最大似然解 调算法的准确性，与光谱仪的最大解调误差为0.966μm 。通过动态实验，验证稀疏 光谱采样及解调系统目前可以实现200KSPS 的采样率采集数据，但为了保证解调 精度而利用最大似然估计算法解调时，整套实验系统的实时测量速度为600Hz 。 关键词：宽光谱干涉信号、高速动态测量、稀疏光谱、最大似然估计解调算法 I 英文摘要 ABSTRACT Broadband spectral interferometric Fabry-Perot sensor not only has the advantage of strong anti-electromagnetic interference ability, good stability and small size, but also has the characteristics of high measurement accuracy and large scale operation. Therefore, it has a great application prospect in the fields of large scale structural health monitoring and aviation aircraft performance testing. However, Fabry-Perot sensor system is often used in static measurement occasions, and rarely used in dynamic monitoring field. This is because the conventional Fabry-Perot measurement system needs to obtain thousands of complete interference spectrum data to ensure the accuracy of signal demodulation. The intensive spectral data acquisition and algorit