基于多級衍射及自適應補償的光纖光柵傳感器解調技術*

張曉鵬,董明利,劉 鋒,祝連慶

(北京信息科技大學光電信息與儀器北京市工程研究中心,光電測試技術北京市重點實驗室,北京 100192)

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基于多級衍射及自適應補償的光纖光柵傳感器解調技術*

張曉鵬,董明利,劉 鋒,祝連慶*

(北京信息科技大學光電信息與儀器北京市工程研究中心,光電測試技術北京市重點實驗室,北京 100192)

解調技術是決定光纖光柵傳感解調系統速率、精度、容量等性能的關鍵因素。提出一種基于線陣光電探測器成像原理的光纖光柵傳感器解調方案,通過多級衍射,結合弱曝光自適應超頻技術和FPGA并行數據處理技術,實現了對傳感信號的快速解調,同時可以實現對級聯型光纖光柵傳感器和長周期光纖光柵傳感器信號的解調。使用溫度、應力敏感光纖光柵傳感器對搭建的鐵路橋模型進行監測,實驗結果表明,光纖光柵傳感系統的解調精度可以達到10 pm量級,系統可測量光譜范圍達50 nm,提高了傳感系統的解調速率和精度,同時實現了光纖光柵解調設備的微型化。

光纖光柵傳感器;線陣光電探測器;多級衍射;自適應補償;FPGA解調

傳統的傳感器及其解調技術在常規領域內得到了廣泛的應用,但是對于一些特殊、極端環境,如航空航天、航海、醫療以及石化等特殊工業,普通的傳感器已經無法滿足如此極端環境的要求。為解決這樣的問題,光纖光柵傳感器應運而生[1]。

近年來光纖光柵傳感器及其解調儀的研究備受矚目,其中美國Micron Optics公司,Ocean Optics公司,Ibsen公司和荷蘭Avantes公司都在開展相關研究。其中光路設計方面主要采用基于光纖Fabry-Perot(F-P)濾波器解調法[2]和基于衍射光柵與線陣光電探測器解調法[3]。Fabry-Perot(F-P)濾波器解調法是現在效果較好的一種解調方法,而其存在諸多弊端,諸如解調速度、儀器體積等[4]。而基于衍射光柵與線陣光電探測器解調法中又分為體相位光柵法[5]和反射式衍射光柵法等[6]。BaySpec公司生產的基于體相位光柵法光纖光柵傳感器解調儀在國內得到廣泛應用,不過其在解調速度和解調精度方面仍有不足[7]。這就使得基于衍射光柵與線陣光電探測器法成為研究熱點,而其較小的體積也備受一些非常規領域使用者的青睞[8-9]。我國是從20世紀90年代開始開展相關研究,國外對國內進行技術封鎖,相關原理設備和知識產權較少,大多數設備的體積、解調精度和采樣率無法達到應用水平[10-11]。

本文研究的重點是如何實現更快,更精確,數據量更龐大的傳感系統。對于光纖光柵傳感器,精度以及解調范圍是光纖光柵傳感器解調儀的發展根本,因此高速光纖光柵傳感器解調儀成為研究熱點[12-14]。本文基于線陣光電探測器成像原理對高速大容量光纖光柵解調儀展開研究,結合光電檢測與數據高速傳輸理論,在光電檢測方面采用線陣光電探測器成像技術,多級衍射技術。在高速傳輸方面采用FPGA并行數據處理技術,集成光學色散系統和FPGA(Field-Programmable Gate Array)解調系統,采用弱曝光自適應補償超頻技術設計并制作一臺小型高速光纖光柵傳感器解調儀。

1 高速光纖光柵傳感器解調系統設計

1.1 解調原理

基于線陣光電探測器成像原理的解調儀是通過線陣光電探測器作為轉換媒介,把光譜信息轉換成電信號,供后續電路解調使用。其中,光路采用透射光柵色散原理,把反射光譜進行色散處理后投射到線陣光電探測器感光面上,從而在線陣光電探測器不同像元上對反射光譜進行光電轉換。這樣可以擴大解調范圍、提高解調精度。

數據處理方面,采用高速FPGA作為核心器件,把經本地處理后的數據傳輸給上位機。解調儀與上位機接口采用千兆以太網口,這種設計可以滿足大數據量、高速信號處理的需求。在需要大面積鋪設傳感器的應用中,這種解調方式極大的節省了布線量。甚至可以采用光纖光柵級聯或長周期光纖光柵形式進行布局布線。圖1為光纖光柵傳感器數據采集系統框圖。

圖1 系統框架圖

如圖所示,光電探測器接收到信號后,經由信號調理電路和數據轉換電路把信號發送給主控芯片FPGA,再由FPGA控制高速高精度處理器發送數據給上位機。

1.2 基于多級衍射與線陣光電探測器光路設計

為了實現光纖光柵傳感器的小型化,通過采用多級衍射的方法,實現大角度色散,并利用衍射光柵特有的衍射角度合理布局,有效縮短光程,實現光路系統微型化。所有器件均選用微小型產品,經過組合、調試、標定、封裝后可以更好地應用在空間受限的場合。圖2為多級衍射光路原理圖。

圖2 多級衍射光路原理圖

如圖2所示,入射光首先經過第1個衍射光柵,完成一級衍射,此時光譜產生色散,然后被色散后的入射光經過第2個衍射光柵后色散效果進一步增強,完成二級衍射。經過兩級衍射后的光譜再經由凹面鏡的匯聚投射到線陣光電探測器上,供電路部分使用。

在采用多級衍射技術的同時,選擇適用于紅外波段的特殊光柵,不僅覆蓋現在解調信號常用的激光波長,而且可以進一步提高解調范圍,獲得更高的頻譜分辨率,大幅度提高波長測量精度。為了應對長周期光柵或多光柵級聯的情況,采用光譜成像原理實現同時解調多組信號,并在保證測量數量的前提下,極大的提高了系統分辨率和解調精度。

為了驗證所提方案的合理性,本文使用ZEMAX軟件進行了模擬分析。具體參數設置如下。

表1 ZEMAX模擬參數

光路模型和模擬結果如圖3。圖3為使用ZEMAX模擬后的系統圖,通過仿真可以看出與設計結果一致。

圖3中,1 520 nm、1 550 nm、1 570 nm光源在凹面鏡焦點處的縱向分布情況如圖4所示。可以看出,沿著成像面的Y軸方向,光譜從小到大逐一展開。

圖3 解調光路模擬圖

圖4 成像面光譜圖

由于光學器件對溫度敏感,所以為了提高解調精度,需要在中心波長測量值的基礎上進行溫漂標定,式(1)提出了一種合理的光學器件溫漂標定公式,可以在pm量級對測量結果進行修正。首先建立檢測波長與溫度之間的線性關系,線性式系數為大于零的小數,以此設定便于程序處理和分析。由于線性關系變化范圍過快,需要在上述線性式的基礎上加上分母,進行類似于歸一化的精細微調,為了實現微調的效果,分母也被設定為溫度的線性式。

(1)

式中:λT為波長測量值,T為溫度值,α、β、α0、β0為需要標定的系數。經過實驗檢測,式(1)可以較好的對溫度漂移帶來的波長漂移進行補償。

1.3 基于自適應補償的高速傳輸處理電路設計

1.3.1 高速處理傳輸系統方案

經過凹面鏡聚焦后的光信號,投射在線陣光電探測器上,線陣光電探測器同樣采用對紅外波長敏感的材料InGaAs,具有速率高、分辨率高等特點,檢測范圍可達900nm到1800nm。將線陣光電探測器采集到的信號經預處理并進行16bitAD轉換后并行傳輸至FPGA,利用FPGA強大的并行處理和邏輯處理能力對信號管理,最后經由千兆以太網傳輸至上位機進行分析、顯示、存儲等。高速處理傳輸系統是以FPGA為核心器件構建,具有靈活多變的分析處理能力,可以把更多的外圍電路依靠FPGA實現,實現解調設備的微型化。系統設計中使用高速高頻器件,采用FPGA并行數據處理技術,工作頻率達到10MHz以上,大大提升了數據處理速度和數據吞吐量。

1.3.2 弱曝光自適應補償超頻技術

線陣光電探測器的數據輸出頻率為4MHz,使系統解調速度受到限制,因此盡可能增加系統在單位時間內采集到的傳感器信號,可以更好地發揮系統解調速率優勢。采用弱曝光自適應補償超頻技術,用FPGA產生線陣光電探測器復位信號,使其復位周期縮短到微妙甚至納秒量級,以實現在線陣光電探測器輸出頻率不變的情況下,檢測到更多的傳感器信號,從而提高系統解調速度。通過FPGA時序邏輯控制,可以實現不同條件需求下曝光時間的自適應調節。弱曝光自適應補償超頻技術在對檢測速度有較高要求的環境中可以起到比較好的效果。如圖5所示,是以FPGA為核心的線陣傳感器弱曝光自適應補償超頻技術的原理圖。

圖5 弱曝光自適應補償超頻技術原理圖

圖5中,從左到右依次是光電線陣傳感器,4個控制端口。4個控制端口分別為AD片選信號,光電線陣探測器reset信號,AD采樣信號和光電線陣探測器時鐘信號。通過程序控制光電線陣探測器reset信號以及光電線陣探測器時鐘信號可以達到弱曝光自適應補償超頻技術。根據需求設定解調速率或曝光時間,通過FPGA的處理把上述參數要求變換為光電線陣探測器的時鐘信號,和復位信號。根據需求可以選擇時鐘信號超頻或者弱曝光技術,采取自適應的方式由系統內部根據上位機要求決定需要采用的曝光時間和時鐘信號速率,之后通過協調光電線陣探測器提供給數模轉換器的轉換信號完成解調信號的采集,最后經由FPGA并行處理系統完成解調。

為更好地的發揮系統解調速率高的優勢,需要一個穩定的信號處理系統,是線陣光電探測器信號處理系統中的調理電路。調理電路通過阻容濾波,阻抗匹配實現對模擬信號的預處理,提高信號的信噪比,給模數轉換提供完善的信號。預處理電路與FPGA的同步也是能否實現弱曝光自適應補償超頻技術的關鍵。預處理電路中,需要經過大量計算和實驗使解調信號在高速傳輸中不會產生串擾和噪聲,需要注意PCB高速高頻布線技術的應用,需要合理利用阻容濾波,阻抗匹配使得采樣波形達到信噪比最優。原理圖如圖6所示。

圖6 預處理電路原理圖

1.3.3FPGA并行處理程序設計

使用verilog語言編寫FPGA邏輯分析和數據處理程序,接收數據,經分析處理后,通過TCP/IP包封裝工具將數據通過網口發送至上位機。使用FPGA并行數據處理技術,最大限度的發揮FPGA的并行處理能力,實現多組數據的同時處理,加快數據處理速度。FPGA數據處理程序的主要流程如圖7所示。

圖7 部分流程圖

從圖7可以看出需要程序控制曝光時間,同時還需要將原數據打包成TCP/IP包,并最終通過mac數據包的形式發送給上位機。

2 實驗結果和分析

2.1 實驗裝置

搭建1∶100的鐵路橋微縮模型,分別在橋梁底部,鐵軌附近以及懸掛鋼索上布置光纖光柵傳感器,實現對鐵路橋的監測。光纖光柵傳感器采用對溫度以及應力敏感的封裝形式,采用光纖光柵級聯方式,利用線陣光電探測器解調儀的高同步性、大量程等特點,實現對5個位置溫度和應力變化的同步監測。實驗裝置如圖8所示。

圖9中給出了實驗模型中光纖光柵的擺放位置。本文中采用封裝后的光纖光柵傳感器模型,封裝采用金屬襯底片式封裝。光纖光柵傳感器如圖10所示。

圖8 橋梁模型

圖9 橋梁模型測量點對應圖

圖10 光纖光柵傳感器

圖11 線陣光電探測器輸出端

2.2 線陣光電探測器結果分析

使用線陣光電探測器采集5個監測點的數據,結果如圖11所示,可清楚的看出線陣光電探測器采集到了5個不同光纖光柵傳感器的信號,其中從左到右分別代表(1)號到(5)號光纖光柵傳感器。信號的幅值表示所使用的寬帶光源在相應頻譜處的光強,光強轉換為輸出電壓后其范圍在1.2V到2.7V之間。圖11到圖18橫坐標均為時間,縱坐標均為電壓。

圖11橫坐標對應光譜范圍,縱坐標對應信號強度,橫坐標體現了解調系統的解調范圍。圖中共有5個監測點,從左到右分別為監測點(1)到監測點(5)。

(1)號和(3)號光纖光柵傳感器的反射峰具體波形如圖12所示。可以看出,每個峰值對應4個～5個線陣光電探測器像元,通過對這4個～5個強度值進行分析解調最終得出反射峰峰值對應的光譜值。

圖12 (1)與(3)號監測點峰值處局部放大像素點

線陣光電探測器采集到的信號是模擬信號,需對此模擬信號進行預處理變為差分信號后進行AD轉換才能被FPGA系統接收。其中(3)號監測點預處理后的信號及經過AD后的數字信號分別如圖13和圖14所示。

圖13 經調理電路后模數輸入端

圖14 模數輸出端

圖15是圖14的局部放大圖,可以看出經處理后的數字信號波形清晰,穩定度較高,確保了解調系統應有的解調數據大吞吐量得以實現。

圖15 AD輸出端局部放大

在弱曝光自適應補償超頻技術中FPGA需要控制線陣光電探測器的reset信號,圖16和圖17為兩種不同的曝光時間對應的reset信號波形圖。通過控制reset信號使得系統解調頻率大大提高,可以看出解調頻率可高于5MHz,下圖中所提供的解調頻率為2MHz和6MHz。

圖16 強曝光

圖17 弱曝光

2.3 實驗結果分析

經過線陣光電探測器、預處理電路、模數轉換電路以及FPGA數據處理電路最終可以由上位機解調出光譜圖。實驗中溫度源變化范圍在15 ℃至30 ℃,振動源變化范圍為2kHz到7kHz。

圖18是本文所設計的實驗系統測得的結果,可清晰觀測到5個監測點的信號,與Bayspec公司制作的解調儀采集的數據基本一致。

圖18 實驗系統解調光譜圖

為進一步驗證本文所設計的光線光柵傳感解調系統的準確性,采用高斯擬合方式分別對本系統和Bayspec公司系統,光譜儀測量值進行數據尋峰對比,通過重復采樣后取加權平均后結果如表2所示,可以看出本系統所測得的信號的準確性較高。經誤差分析與計算,系統精度可達10pm量級。

表2 尋峰數據對比

3 結論

本文基于線陣光電探測器設計了一套光纖光柵解調系統,該系統使用弱曝光自適應補償超頻技術和FPGA并行數據處理技術,可以實現對反射光譜在1 520nm到1 570nm范圍內的光纖光柵傳感器進行解調,解調頻率可達15kHz以上,反射譜尋峰分辨率可達皮米量級。具有數據處理速度高、數據吞吐量大、體積小、低功耗、分辨率高等優點,具有良好的應用前景。

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The Demodulation Technique of Fiber Grating Sensor Base on Multi Order Diffraction and Adaptive Compensation*

ZHANGXiaopeng,DONGMingli,LIUFeng,ZHULianqing*

(Beijing Key Laboratory for Optoelectronics Measurement Technology,Beijing Engineering Research Center of Optoelectronic Information and Instruments,Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100192,China)

Optical fiber grating sensor has been promoted with the wide application of optical fiber grating sensors demodulation system. The demodulation technology has become a key factor of system speed,precision,capacity and other properties. This paper presents a kind of optical fiber grating sensor demodulation technique based on the principle of linear image sensor,Many problems of demodulation has been solved by multi order diffraction,weak exposure adaptive overclocking technology,FPGA parallel data processing technology. All of the technology focus on improving the speed of demodulation,the accuracy of demodulation and the Miniaturization. Experiments show that,our system can improve the demodulation precision up to 10 pm,and the spectrum range of demodulation up to 50 nm,It can also demodulate the cascaded fiber Bragg grating sensor and the long period fiber grating sensor.

optical fiber grating sensor;linear image sensor;multi order diffraction;adaptive overclocking technology;FPGA demodulation

張曉鵬(1987-),男,碩士,主要從事高速大容量分布光纖光柵傳感器解調技術研究,對FPGA,嵌入式,光纖光柵傳感及光纖光柵激光器均有涉獵。通信工程學士學位,光電測試碩士學位;

董明利(1965-),女,博士、碩士生導師。中國計量測試學會學術工作委員會常務理事兼副秘書長,全國誤差與不確定度研究會理事,北京信息科技大學光電工程學院任教授;

祝連慶(1963-),男,博士、博士生導師。于合肥工業大學分別獲學士、碩士學位,2013年于哈爾濱工業大學獲博士學位。現任北京信息科技大學教授,“光電測試技術”北京市重點實驗室主任,“光電信息與儀器”北京市工程研究中心主任。

項目來源:北京市重大科技計劃項目(PXM2013-014224-000077,PXM2012-014224-000019);光電信息與儀器北京市工程研究中心開放課題項目(GD20130006)

2014-08-25 修改日期:2014-12-11

C:7230G

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.03.006

TP212.9;TP216+.1;TN29

A

1004-1699(2015)03-0330-06