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CCD光谱成像技术在光纤光栅解调技术中的应用

李学胜  
【摘要】: 光纤布拉格光栅FBG(Fiber Bragg Grating)传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高和小巧等特点,已成为光纤传感领域的一个研究热点。目前FBG已被广泛应用于大型复合材料和混凝土建筑物的结构监测、电力、医药和化工等领域,其中FBG传感信号解调是其传感应用中的重点和难点。 本文在详细了解国内外光纤光栅传感技术及其传感信号解调技术研究现状的基础上,深入研究了光谱成像技术用于光纤光栅解调的原理与方法,建立了应用线阵CCD(Charge Coupled Device)的光纤光栅光谱成像法波长解调系统。 在详细研究光谱成像理论的基础上,对光谱成像系统中各个光学元件进行了设计。结合CCD在微小型光纤光谱仪中的应用,通过合理选择分光元件,设计了一种小型化的光谱法波长解调系统。运用Zemax软件进行光路追迹和测试,设计出了适合光纤光栅解调的光学元件的参数。采用新型的现场可编程器件FPGA(Field Programmable Gate Array)设计了线阵CCD器件TCD1500C驱动电路,用Quartus软件将FPGA配置成32位CPU用于测量数据处理,进而实现了一种新型高度集成化的光谱成像数据采集系统。 运用可调谐半导体激光器进行了波长解调模拟实验。通过调谐激光器的输出波长,来模拟光纤光栅受到外界的作用而产生的反射Bragg波长的变化,验证了理论分析的结果,为实现小型化的光谱成像法光纤光栅解调仪奠定了实验基础。论文中还对波长解调系统的分辨率进行了分析,详细讨论了影响系统分辨率的主要因素,提出了提高分辨率的方法。运用Origin软件对采集到的数据进行处理和分析。对光谱成像波长解调系统的标定方法进行了详细的研究,提出了一种适合CCD光谱成像波长解调系统的标定方法,为这种光谱成像波长解调系统的实用化打下基础。


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