基于FPGA的光纖光柵解調系統的研究

歐陽磊，葛海波，馬利平，王 松

（西安郵電學院 陜西 西安 710061）

精確檢測由各種外界參量變化引起的Bragg波長微小偏移，并簡潔顯示，是與光纖Bragg光柵傳感器在工程技術中的商用化息息相關。一個高精度、穩定、操作簡單、性價比高的信號解調系統是FBG傳感器設計的關鍵。

由于光纖光柵傳感器的關鍵技術是解調傳感器反射波長的編碼信號，常用解調方法[1]有：l）直接法，即光譜儀檢測法；2）濾波法，包括匹配FBG可調濾波檢測法邊緣濾波法可調諧F-P濾波法；3）干涉法，包括非平衡M-z干涉法，非平衡邁克爾遜干涉法；4）可調光源解調法，包括鎖模法可調窄帶光源檢測法：5）光柵色散解調法。其中光譜儀檢測法中的光譜儀體積龐大，結構復雜，攜帶不便，使用時需反復校準，且高精度光譜儀價格昂貴，基于干涉法建立的信號解調系統最大缺點是掃描速度慢，并且價格偏高。上述解調方法共同的缺點是分辨率不高，成本高。而匹配解調法具有分辨率較高、解調速度快、重復性好、成本低等優點，應用廣泛。目前國內外已研究出高精度、高分辨率的光纖光柵傳感器解調儀，但價格昂貴，很難在實際工程中得到廣泛應用。為了使光纖傳感器應用廣泛，首先就是降低成本，又因為FPGA的時鐘頻率高，內部時延小，全部控制邏輯由硬件完成，速度快效率高，適于大數據量的高速傳輸控制；組成形式靈活，可以集成外圍控制，譯碼和接口電路。于是把FPGA引入到實際解調電路中。因此，開發了一個基于FPGA的光纖光柵解調系統。該系統采用雙匹配光柵為調諧元件，具有較高的分辨率和測量精度，并能夠實時、準確地實現測量。

1 基于雙匹配光纖光柵解調技術的解調系統

1.1 系統裝置

本系統采用雙匹配光纖光柵并聯解調法解調光纖光柵傳感信息，其工作原理如圖1所示。寬帶光源（BBS）發出的光經過3 dB耦合器1入射到傳感光纖光柵FBG1，透射光被折射率匹配液吸收，只有滿足Bragg條件的光才被反射回來，再次經3 dB耦合器2進入3 dB耦合器3和3 dB耦合器4，到達并聯的2個匹配光柵FBG2和FBG3。通過FBG2和FBG3的透射光被折射率匹配液吸收，反射光被光電探測器PIN1和PIN2接收。光電探測器接收從匹配光纖光柵反射回來的光，把光信號轉換成微弱的電信號，再經過信號調理電路和信號采集電路輸入給FPGA處理。FPGA將采集的數據一方面進行信號處理，另一方面通過顯示屏顯示所測的數據結果。

1.2 工作原理

圖1所示的系統中，FBG僅對滿足的單一波長光進行反射。只有后向反射光才能在光電探測器上產生強輸出。匹配光纖光柵FBG2和FBG3是FPGA通過2個壓電陶瓷驅動器來調諧的。當并聯的2個匹配光纖光柵處于自由態時，使得2個匹配光纖光柵的至少1路與傳感光纖光柵FBG1的峰值反射波長相同，此時沒有光透過匹配光纖光柵，光全部被反射，因此光電探測器的輸出信號幅值最大，此時FPGA輸出一個固定的電壓，使匹配光纖光柵的中心波長不再變化。當傳感光纖光柵FBG1因外界物理量溫度或應變等，使中心波長發生變化時，匹配光纖光柵FBG2或者FBG3與傳感光纖光柵FBG1的峰值反射波長不再匹配[2]，此時光電探測器某一路輸出的信號幅值下降，而另一路輸出的信號幅值可能下降也可能上升。芯片通過周期性變化的鋸齒波電壓信號來驅動2個壓電陶瓷驅動器，使2個匹配光纖光柵的中心波長同時發生變化，這2個匹配光纖光柵同時跟蹤傳感光纖光柵FBG1的波長變化，直至使光電探測的2路輸出幅值達到最大為止。在原理上增強了系統的可靠性，同時克服了匹配濾波法信號檢測中的雙值問題。記錄此時輸出的電壓大小，根據輸出電壓與波長漂移的擬合曲線，進行數據處理，最后根據傳感器外界物理量與波長的編碼關系式即可計算出待測物理量溫度、壓強或應變等的大小達到信號解調的目的。

圖1 系統原理圖Fig.1 Principle diagram of system

當一束光進入光纖布拉格光柵后，對滿足布拉格條件的光會產生反射。光纖布拉格光柵反射波的中心波長為：

式中neff為光纖光柵的有效折射率，Λ為光柵周期。

外界環境溫度、壓力的變化都會使neff和Λ發生變化，從而導致光纖光柵反射波的中心波長發生漂移。對式（1）兩邊的溫度求導，可得：

用式（2）除以式（1）可得：

則式（3）可以簡寫為：

由式（4）可知，dλg與 dT 成線性關系，通過測量 dλg就可以確定溫度T。

2 解調系統的硬件設計

2.1 光源和3 dB耦合器的選擇

光源的特性決定光纖系統是否達到預計的指標。作為光源的發光器件應該滿足以下條件：

1）體積小，發光面積應與光纖芯徑的尺寸相匹配，而且光源和光纖之間應有較高的耦合效率；

2）發射光波長應適合光纖兩個低損耗波段，即短波長0.8～0.9 μm 和長波長 1.2～1.6 μm[4]；

3）直接進行光強度調制，且與調制器的連接方便；

4）可靠性高，工作壽命長，穩定性高，互換性好。

耦合器是一種用于傳送和分配光信號的無源器件。通常，光信號由耦合器的一個端口輸入，而從另一個或幾個端口輸出，因此，耦合器可以用來減少系統中的光纖用量以及光源和光纖活動接頭的用量，也可用于節點互連與信號混合。它可在相同波長上，將來自幾束光纖的光耦合到其他幾束光纖中，也可將光從一束光纖分離到幾束光纖中。耦合器是通過將2根或多根光纖熔接并拉伸，產生一個耦合區而產生的[5]。理想的光纖耦合器，信道插入損耗為0 dB，隔離度為1。一般實際值與理想情況接近。分光比為50%：50%的2×2光纖耦合器被稱為3 dB耦合器。

2.2 A/D轉換器和FPGA器件選型

采集電路是實現模擬信號數字化的電路，其模數（A/D）轉換器是采集電路的核心。系統對2路電壓信號同時采集。考慮到系統的速度、精度和分辨率等要求，這里采用16位的A/D轉換器AD976。AD976采樣速率高達100 Ks/s，采用的是電荷重分布技術的逐次逼近型模數轉換器，由內部電容模塊進行高速采樣，因此無需外加采樣保持器，從而簡化了外圍電路的設計。

此系統采用ALTERA公司優性價比的Cyclone系列EP1CQ240C8。EP1CQ240C8內部有 LE 5980個，PLL 2個，185個I/O端口。利用PLL可完成對輸入分頻、倍頻、占空比的設定、特定的相移，非常方便。把輸入時鐘必須分給全局時鐘引腳。EP1CQ240C8內部有RAM 92160 bit，可以實現單口RAM，雙口同步FIFO，異步FIFO，CAM（內容地址存儲器），豐富的I/O可以完成和外設的連接。

2.3 信號調理電路

信號調理電路主要完成光電轉換和小信號的放大和濾波等功能。本系統的光電探測器采用PED100-LN，其暗電流小、響應度高、響應速度快、穩定性和可靠性好，在1550 nm的波長附近具有良好的線性輸出[6]；具有對數特性，對大信號增益小，對小信號增益大，因此可對功率在大范圍內變化的光信號進行響應。光電探測器是將光信號轉變為電流信號，其輸出的電流通過高精密運算放大器構成的電路轉換為合適的電壓信號。為了使小信號電壓信號不被電路噪聲所淹沒，所以在電路的前端加鎖定放大電路，信號通過放大電路后傳輸到濾波電路，濾波電路選用二階低通濾波電路。低通濾波電路輸出的信號傳輸給下一級電路進行處理。

又由于光電探測器靈敏度低、輸出電流小，一般只有數微安，甚至更小，因此必須選用前置放大器對信號進行放大。首先從去噪角度上考慮前置放大電路的設計，電路中需要引入去耦電容。去耦是去除芯片電源管腳上的噪聲，噪聲是芯片本身產生的。在直流電源電路中負載的變化會引起電源噪聲。此外，前置放大電路還應該起到最大限度抑制噪聲的作用，以獲得最大的信噪比。前置放大器的核心部分是運算放大器，應盡量選擇具有高的輸入電阻、小的失調電流的高性能運算放大器。圖2為前置放大電路。

圖2 前置放大器原理圖Fig.2 Schematic diagram of preamplifier

作為光信號檢測中的關鍵部分，前置放大電路的性能在很大程度上決定了整個光檢測系統的性能。如果采用一般的放大器進行放大，放大器本身會引入較高的噪聲，后一級放大器將對前一級放大器輸出的信號和引入的噪聲同時進行放大，因此信噪比不會得到改善，本系統中要探測的光電流信號很微弱，因此，前置放大器的增益必須很高。此外，前置放大電路還應該起到最大限度抑制噪聲的作用，以獲得最大的信噪比。綜合各方面的考慮，本系統設計的前置放大電路如圖2所示。由于OP07是一種低噪聲，非斬波穩零的單運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調電壓，所以在很多應用場合不需要額外的調零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低和開環增益高的特點，這種低失調、高開環增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。光電探測器輸出的光電流信號經過前置放大器后，實現了電流一電壓的轉換和一次放大，但是為了滿足后續電路的需要，必須對信號進行二次放大，二級放大電路選用高精密運算放大器OPO7構成。其二級放大電路如圖3。

3 解調系統的軟件設計

光纖光柵的解調算法受到測試條件和解調方法的限制，至今還沒有統一的可用公式，可通過試驗的方法，測出一組典型數據，用曲線擬合算法進行擬合計算，確定傳感光纖光柵中心波長偏移量。為了提高解調系統的精度，需要大量的數據處理和計算，可對FPGA進行數據存儲器的外擴，或通過串口把數據傳輸給上位機進行數據存儲和處理。解調系統軟件由以初始化子程序、PZT驅動子模塊、模數轉換子模塊、求最大值子模塊、數據擬合子模塊、顯示子模塊及通信接口子模塊等組成。圖4為解調系統軟件流程圖。

圖4 解調系統軟件流程圖Fig.4 Flow chart of demodulation system software

借助引入標準光柵的解調方案，提出了一種實時計算擬合曲線的方法，實現了動態的曲線擬合，保證了測量的高精度。因為這種動態擬合曲線去除了由于光強抖動等產生的隨機誤差，同時，這樣還可以在相當程度上避免由于偶然或者固有原因所帶來的誤差。擬合曲線算法采用拉格朗日插值方法，其公式為：

這里，取2個點作近似的拉格朗日式，也即是2個1次多項式之和：

首先求出一組典型的數據，假設取若干組數據，利用拉格朗日插值法，可以得到所需的波長值。為了方便用流程圖表示，選取 5 個點 A1（x1，Y1），A2（x2，Y2），A3（x3，Y3），A4（x4，Y4），A5（x5，Y5）。 具體流程如圖 5 所示。

圖5 曲線擬合流程圖Fig.5 Flow chart of curve fitting

4 結 論

FBG光柵有著廣泛的應用前景，有關于FBG光柵的理論研究到目前為止已經取得很大的成就，采用合適的解調技術，降低光纖光柵的使用成本，就能夠推動光纖光柵傳感器在實際工程中得到廣泛應用。基于此，探討了3大問題：

1）設計出了一種基于FPGA系統的光纖光柵波長解調系統，從理論和實驗的角度分析了系統的可行性；

2）采用FPGA設計了解調系統的硬件平臺；

3）通過FPGA對拉格朗日插值曲線擬合，實現了一種高精度的解調，通過采用雙光柵匹配解調方法有效地避免了雙值問題，并且有效地擴大了解調范圍。

目前限制光纖光柵傳感器大量實際應用最主要的障礙依然是傳感信號的解調。因此，研究開發適用于實際工程應用的解調系統，降低成本，是光纖光柵傳感器在實際工程應用中得到推廣的至關重要的課題。

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