基于FPGA的激光波长查询仪研究

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近年来,光纤传感器凭借其抗电磁干扰、可分布式传感、本征绝缘等一系列传统传感器所不具备的优点,广泛应用于工业、军事、建筑和石油化工领域。随之而来的各种光纤传感器的解调技术应运而生。光纤激光波长查询仪是广泛应用于近红外光谱分析以及波长解调式和相位解调式光纤传感测量的关键仪器,随着当代集成电路技术的高速发展,让现代的测量解调技术实现更快,更精准成为可能。本文利用FPGA (Field Programmable Gate Array)的设计灵活性、集成度高、速度快的特点,设计研制了基于FPGA控制的多路光电信号数据采集和激光器扫描控制系统,实现了输出激光的波长连续扫描和波长自标定。并在此基础上构成一套基于FPGA的激光波长查询仪解调系统。其主要内容可以概括如下:本文对基于光谱测量的光纤传感解调系统进行了详尽的研究,归纳总结了各种解调方式的优点及不足。并对可编程逻辑门器件FPGA的工作原理和设计方法进行了详细的讨论,设计并研制了基于FPGA的多路信号同步采集系统。该信号采集系统具有传输速度快、缓存空间大、双向可控等一系列优点。在此基础上,组成了一套内部自带光源,并且集数据采集和激光扫描功能于一体的激光波长查询仪解调系统。最后对基于FPGA的激光波长查询仪的硬件电路方面和整体性能方面进行实验测试,分别对光信号,电信号的信噪比进行了记录和分析,并利用HCN气体吸收池和光纤EFPI/FBG传感器对该查询仪的性能进行测试。在对硬件电路部分的测试中,查询仪激光扫描驱动信号的信噪比可高达37dB,光信号采集的信噪比为12.2dB。在应用HCN气体吸收池测量查询仪性能的实验中,实验结果显示查询仪的波长测量准确率为±1.85pm,分辨率为1.74pm。在光纤EFPI/FBG串联复用的解调实验中,获得了0.036nm的腔长分辨率和1.94nm的波长分辨率。整体性能达到目前商品化仪器的最好水平。
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