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原文传递 FBG小型解调仪设计与关键技术研究

论文题名：	FBG小型解调仪设计与关键技术研究
关键词：	桥梁健康监测;光纤光栅传感器;小型解调仪;热管理;信号处理
摘要：	中小型桥梁结构简单，构件单一，造价便宜，在中国总桥梁数中占90%以上，如何确保数量庞大的中小桥梁的运营安全，发展经济实用的监测系统成为关键。但与大跨径桥梁一对一昂贵复杂监测系统不同，受力清晰的中小桥梁监测仅需几十甚至几个传感器，必须建立造价便宜，传感器种类和数量精简的普遍适用性监测系统。光纤光栅传感器克服了现有电类传感器的不足，具有抗电磁干扰、尺寸小、重量轻、成本低等特点，在桥梁结构健康监测领域具有明显的技术优势和广阔的应用前景。但现有桥梁光纤光栅传感监测系统中存在成本偏高、布线复杂、效率不佳、电力供给不足、网络系统配套等问题，其主因是作为光纤光栅传感器配套的光纤光栅解调设备昂贵且庞大。因此必须研究新型光纤光栅解调设备，实现仪器设备小型化、低成本、低能耗，与传感器形成一体化，无线化传输数据，系统化形成智能监测网，满足中小桥梁小型化、经济化、智能化监测需求。本文针对中小型桥梁基于光纤光栅传感技术健康监测系统对解调仪器设备小型化、经济化、智能化和低能耗的需求，开展光纤光栅解调系统关键技术的研究。　　论文主要研究内容包括：　　1.研究光纤光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）的光调制效应，以及光纤光栅实现温度传感的原理。分析解调系统从光信号中恢复出传感数据的原理，确定基于电控可调谐半导体扫描激光器的设计方法论。建立波长漂移的理论模型，为研究波长解调方法提供理论基础。　　2.研究光纤光栅解调设备小型化的基本要素，包括光电转换与前端模拟信号预处理电路（AFE），基于比例-积分-微分（PID）调节器的激光器温度控制电路，以及多通道模数转换电路。研究波长可调谐半导体激光器的原理和频率、功率控制方法。针对线性放大电路中，光信号的绝对强度差异引入解调系统不稳定性的问题，提出了一种使用对数跨阻转换器提高光信号采集动态范围，并增强光纤光栅反射光强差异容限的模拟前端设计方法。　　3.针对中小型桥梁复杂温度环境下，解调系统出现热失控的问题，提出一种基于组合逻辑电路的解调系统热管理方案，确保极端温度工况下解调系统的可靠启动与运行。　　4.研究光纤光栅解调仪信号处理系统的底层固件设计与优化问题。针对运算容量和存储器空间受限的ARM Cortex-M体系架构，研究满足信号实时处理需求的波长寻峰算法，并提出并设计了补偿算法提高了波长寻峰算法的准确度，实现在低功耗，小面积的半导体器件上实现可靠解调，同时将性能降级最小化的固件设计方案。　　5.研究可调谐半导体激光器电流-波长精确映射关系查找表的建立方法，建立光纤光栅解调实验平台，完成了光纤光栅解调仪性能实验验证。针对解调仪长期/短期解调波长稳定性，环境温度-波长耦合抑制特性和解调波长重复性，研究解调波长的置信度。　　本论文系统开展了小型化的光纤光栅解调系统研究，研制了光纤光栅解调器，为中小型桥梁的结构健康监测的提供了新的技术手段。
作者：	梁晨
专业：	信息与通信工程
导师：	梁磊
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021