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光纤光栅传感解调系统设计与算法研究

郭晓彤  
【摘要】:以物联网和云计算为代表的信息化时代正处于高速发展时期,传感器作为接收外界信息的装置,作用尤为重要。光纤布拉格光栅(FBG)作为一种新型传感技术,在石油勘探,桥梁、隧道、建筑等结构的健康监测以及航空发动机、大型机械的设备结构状态监测中得到广泛应用。由于传感器采集得到的被测物理量对应为反射谱中心波长的移位量,所以如何能够在实际工程中快速准确的寻找到峰值点,是监测的关键,也是光纤光栅传感系统中的核心问题。为此,本文在高速高精度寻找峰值点的问题上做出了相应的算法改进,主要针对寻峰算法和系统开发平台进行了详细研究和设计。在FBG数据采集过程中,光纤光栅波长信号会存在较大噪声的干扰,造成了峰值点附近出现波动现象,导致了反射光谱的不对称。针对光纤光栅反射谱不对称所导致的寻峰算法误差问题,提出了一种基于FPGA状态机的非对称高斯拟合寻峰算法。算法通过状态机之间的相互转换完成对数据的筛选处理,然后引入非对称高斯模型,给出峰值补偿修正公式。通过MATLAB仿真实验,分析对比了以下5种寻峰算法:直接比较寻峰算法,高斯拟合寻峰算法,自适应半峰检测寻峰算法,基于Steger图像寻峰算法和本文所提出的算法分别在恒温下的寻峰平均误差值,以及在改变温度,噪声等情况下的平均误差值。实验结果表明,该算法在各条件下的检测精度均能控制在0.5 pm以内,且速度和稳定性与上述算法相比都具有显著优势。本文设计的解调系统最终在基于SoC FPGA的平台上进行移植调试与实现。在QuartusⅡ软件集成的SoC设计工具Qsys中搭建完成所需硬件模块的添加与相关参数的配置。在嵌入式系统开发套件SoC EDS中将改进后的寻峰算法在C++编程语言的基础上进行编程实现,得出该解调系统能够完成数据的预处理以及寻峰任务,系统运行稳定,在Labview上位机中结果显示较好,验证了本文提出的基于SoC FPGA波长解调系统设计是可行的。


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