弱光纤光栅阵列解调控制逻辑与算法的Soc FPGA实现开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

众所周知，大容量的光纤光栅传感网络由两部分组成，一是要求测量的点数多，如对海上巡逻机的机翼状态监测往往用到多达3000多个应变传感器；二是要求测量的参量多，如对温度、应力、震动、加速度、流量、湿度、气压多达几十个参量的测量。目前有些光纤传感网络能实现几千个点数的测量，但不能实现多参量的传感；而有些光纤传感网络能满足多参量的测量要求，但是测量的点数有限。因此，研究开发基于wdm/tdm混合复用、具有多点数和多参量测量光纤光栅传感网络是开发大容量光纤传感网络的一个重要的发展方向，具有重要的理论意义和应用前景。

wdm/tdm复合组网络环境要求采用低反射率的光纤光栅作为传感单元。如果采用高反射率布拉格光栅作为传感单元，信号光在光栅中传输时的后向反射光光强较大，因此前向传输损耗大，不适于长距离传输，传感单元复用的数量有限。同时由于在应用中一般采用串行拓扑结构构建tdm光纤光栅传感网络。随着复用的传感器增加会导致信道串扰和光谱阴影，从而使得输出信号的对比度和信噪比会降低，极大限制了可复用的传感器数量。

2013年，基于相位掩模板，超低反射率光纤光栅阵列被成功制备出来。这种在光纤的拉制过程中在线方式制备无焊点光栅，即由于是动态写入光栅很好地解决了传感单元的问题。从而避免wdm/tdm的混合复用光纤光栅传感网络大规模组网过程中成千上万个光栅串接存在的损耗大、强度低等问题。

2. 研究的基本内容与方案

一、基本内容

（1）了解大规模弱光纤光栅阵列的复用和信号解调方法。

（2）学习FPGA设计方法，了解FBGA的基本结构。

（3）设计弱光纤光栅阵列的信号处理方案。

（4）控制逻辑与算法的Soc FPGA实现，完成脉冲信号的生成、延时、与上位机通信。

二、技术方案

本文设计一种新型的大容量光纤光栅传感阵列的复用与解调方案。

ASE光源带宽为几十纳米，经过滤波器之后，输出3nm~4nm窄带光进入半导体激光放大器SOA。SOA受控于脉冲产生器。一般来说，SOA具有一定的光放大倍数，SOA输出的光可以直接进行光环路器，从而进入光纤光栅阵列，这就是第一级光功率放大；也可以用掺饵激光放大器来提高入光纤光栅阵列的光功率，这可以作为第二级光功率放大。光环路器输出的光通过SOA输出到InGaAs线性图像传感器做解调。

FPGA产生逻辑控制InGaAs线性图像传感器在合适的时机启动光信号采集积分，并且输出电信号到A/D模块做电信号放大和模数转换。高精度的A/D芯片把运放放大后的采集电信号转换成数字信号送给FPGA。根据采样进来的数据，寻峰算法可以直接计算出当前光纤光栅传感器的波峰。经过标定之后就可以计算出被检测量，比如，温度，压力等。

（1）采用高速图像光谱解调技术，针对弱光纤光栅的传感特性，实现并验证其高速解调系统，单个光纤光栅的解调速度可超过17KHz，精度可达±2pm。如果采用WDM/TDM的混合构建传感网络，其解调速度可再提高10~20倍。进一步推广光纤光栅传感的应用范围。

（2）上位机功能包括三件事情：下位机的协议解析、波形显示和数据存储。本系统上下位机的网络接口采用局域网配置，固定IP地址和端口号，避免不必要的其他网络层协议的开发。主界面由一个包含两个波形显示和一个包含两个子选项卡的选项卡控件构成。

控制产生两路时延脉冲是由一个verilog程序实现，此程序有三个IP核分别实现了第一路脉冲、第二路脉冲以及两路之间的脉冲控制，结构图如下所示

3. 研究计划与安排

第1-2周：完成题目调研，查阅参考资料，完成开题报告。

第3-7周：学习大规模弱光纤光栅阵列的复用和信号解调方法，完成相关文献的翻译。

第8-9周：学习fpga设计方法，了解fpga的基本结构。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]吴晶,吴晗平,黄俊斌,顾宏灿. 光纤光栅传感信号解调技术研究进展[j]. 中国光学,2014,04:519-531.

[2]李政颖,周祖德,童杏林,熊涛,唐智浩,蔡林均,赵猛. 高速大容量光纤光栅解调仪的研究[j]. 光学学报,2012,03:60-65.

[3]庞丹丹. 新型光纤光栅传感技术研究[d].山东大学,2014.