基于FPGA的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究

歐陽磊，葛海波，馬利平，王 松

（西安郵電學(xué)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(shù)中的商用化息息相關(guān)。一個高精度、穩(wěn)定、操作簡單、性價比高的信號解調(diào)系統(tǒng)是FBG傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

由于光纖光柵傳感器的關(guān)鍵技術(shù)是解調(diào)傳感器反射波長的編碼信號，常用解調(diào)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(diào)濾波檢測法邊緣濾波法可調(diào)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(diào)光源解調(diào)法，包括鎖模法可調(diào)窄帶光源檢測法：5）光柵色散解調(diào)法。其中光譜儀檢測法中的光譜儀體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，攜帶不便，使用時需反復(fù)校準(zhǔn)，且高精度光譜儀價格昂貴，基于干涉法建立的信號解調(diào)系統(tǒng)最大缺點(diǎn)是掃描速度慢，并且價格偏高。上述解調(diào)方法共同的缺點(diǎn)是分辨率不高，成本高。而匹配解調(diào)法具有分辨率較高、解調(diào)速度快、重復(fù)性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。目前國內(nèi)外已研究出高精度、高分辨率的光纖光柵傳感器解調(diào)儀，但價格昂貴，很難在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。為了使光纖傳感器應(yīng)用廣泛，首先就是降低成本，又因?yàn)镕PGA的時鐘頻率高，內(nèi)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(shù)據(jù)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(shí)際解調(diào)電路中。因此，開發(fā)了一個基于FPGA的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用雙匹配光柵為調(diào)諧元件，具有較高的分辨率和測量精度，并能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)測量。

1 基于雙匹配光纖光柵解調(diào)技術(shù)的解調(diào)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)裝置

本系統(tǒng)采用雙匹配光纖光柵并聯(lián)解調(diào)法解調(diào)光纖光柵傳感信息，其工作原理如圖1所示。寬帶光源（BBS）發(fā)出的光經(jīng)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(jīng)3 dB耦合器2進(jìn)入3 dB耦合器3和3 dB耦合器4，到達(dá)并聯(lián)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(zhuǎn)換成微弱的電信號，再經(jīng)過信號調(diào)理電路和信號采集電路輸入給FPGA處理。FPGA將采集的數(shù)據(jù)一方面進(jìn)行信號處理，另一方面通過顯示屏顯示所測的數(shù)據(jù)結(jié)果。

1.2 工作原理

圖1所示的系統(tǒng)中，F(xiàn)BG僅對滿足的單一波長光進(jìn)行反射。只有后向反射光才能在光電探測器上產(chǎn)生強(qiáng)輸出。匹配光纖光柵FBG2和FBG3是FPGA通過2個壓電陶瓷驅(qū)動器來調(diào)諧的。當(dāng)并聯(lián)的2個匹配光纖光柵處于自由態(tài)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(dāng)傳感光纖光柵FBG1因外界物理量溫度或應(yīng)變等，使中心波長發(fā)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(qū)動2個壓電陶瓷驅(qū)動器，使2個匹配光纖光柵的中心波長同時發(fā)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(dá)到最大為止。在原理上增強(qiáng)了系統(tǒng)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(jù)輸出電壓與波長漂移的擬合曲線，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后根據(jù)傳感器外界物理量與波長的編碼關(guān)系式即可計(jì)算出待測物理量溫度、壓強(qiáng)或應(yīng)變等的大小達(dá)到信號解調(diào)的目的。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of system

當(dāng)一束光進(jìn)入光纖布拉格光柵后，對滿足布拉格條件的光會產(chǎn)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(huán)境溫度、壓力的變化都會使neff和Λ發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光纖光柵反射波的中心波長發(fā)生漂移。對式（1）兩邊的溫度求導(dǎo)，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(guān)系，通過測量 dλg就可以確定溫度T。

2 解調(diào)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 光源和3 dB耦合器的選擇

光源的特性決定光纖系統(tǒng)是否達(dá)到預(yù)計(jì)的指標(biāo)。作為光源的發(fā)光器件應(yīng)該滿足以下條件：

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

2）發(fā)射光波長應(yīng)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(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制，且與調(diào)制器的連接方便；

4）可靠性高，工作壽命長，穩(wěn)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(tǒng)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(jié)點(diǎn)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(chǎn)生一個耦合區(qū)而產(chǎn)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(shí)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(zhuǎn)換器和FPGA器件選型

采集電路是實(shí)現(xiàn)模擬信號數(shù)字化的電路，其模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器是采集電路的核心。系統(tǒng)對2路電壓信號同時采集。考慮到系統(tǒng)的速度、精度和分辨率等要求，這里采用16位的A/D轉(zhuǎn)換器AD976。AD976采樣速率高達(dá)100 Ks/s，采用的是電荷重分布技術(shù)的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由內(nèi)部電容模塊進(jìn)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(shè)計(jì)。

此系統(tǒng)采用ALTERA公司優(yōu)性價比的Cyclone系列EP1CQ240C8。EP1CQ240C8內(nèi)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(shè)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(nèi)部有RAM 92160 bit，可以實(shí)現(xiàn)單口RAM，雙口同步FIFO，異步FIFO，CAM（內(nèi)容地址存儲器），豐富的I/O可以完成和外設(shè)的連接。

2.3 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路主要完成光電轉(zhuǎn)換和小信號的放大和濾波等功能。本系統(tǒng)的光電探測器采用PED100-LN，其暗電流小、響應(yīng)度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)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(shù)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(nèi)變化的光信號進(jìn)行響應(yīng)。光電探測器是將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?，其輸出的電流通過高精密運(yùn)算放大器構(gòu)成的電路轉(zhuǎn)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?shù)綖V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(jìn)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(shù)微安，甚至更小，因此必須選用前置放大器對信號進(jìn)行放大。首先從去噪角度上考慮前置放大電路的設(shè)計(jì)，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(chǎn)生的。在直流電源電路中負(fù)載的變化會引起電源噪聲。此外，前置放大電路還應(yīng)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(yùn)算放大器，應(yīng)盡量選擇具有高的輸入電阻、小的失調(diào)電流的高性能運(yùn)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(guān)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(tǒng)的性能。如果采用一般的放大器進(jìn)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(jìn)行放大，因此信噪比不會得到改善，本系統(tǒng)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(yīng)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(tǒng)設(shè)計(jì)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(wěn)零的單運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)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(jīng)過前置放大器后，實(shí)現(xiàn)了電流一電壓的轉(zhuǎn)換和一次放大，但是為了滿足后續(xù)電路的需要，必須對信號進(jìn)行二次放大，二級放大電路選用高精密運(yùn)算放大器OPO7構(gòu)成。其二級放大電路如圖3。

3 解調(diào)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

光纖光柵的解調(diào)算法受到測試條件和解調(diào)方法的限制，至今還沒有統(tǒng)一的可用公式，可通過試驗(yàn)的方法，測出一組典型數(shù)據(jù)，用曲線擬合算法進(jìn)行擬合計(jì)算，確定傳感光纖光柵中心波長偏移量。為了提高解調(diào)系統(tǒng)的精度，需要大量的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，可對FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲器的外擴(kuò)，或通過串口把數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和處理。解調(diào)系統(tǒng)軟件由以初始化子程序、PZT驅(qū)動子模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換子模塊、求最大值子模塊、數(shù)據(jù)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(diào)系統(tǒng)軟件流程圖。

圖4 解調(diào)系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 Flow chart of demodulation system software

借助引入標(biāo)準(zhǔn)光柵的解調(diào)方案，提出了一種實(shí)時計(jì)算擬合曲線的方法，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)的曲線擬合，保證了測量的高精度。因?yàn)檫@種動態(tài)擬合曲線去除了由于光強(qiáng)抖動等產(chǎn)生的隨機(jī)誤差，同時，這樣還可以在相當(dāng)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(diǎn)作近似的拉格朗日式，也即是2個1次多項(xiàng)式之和：

首先求出一組典型的數(shù)據(jù)，假設(shè)取若干組數(shù)據(jù)，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(diǎn) 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(jié) 論

FBG光柵有著廣泛的應(yīng)用前景，有關(guān)于FBG光柵的理論研究到目前為止已經(jīng)取得很大的成就，采用合適的解調(diào)技術(shù)，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(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用?；诖耍接懥?大問題：

1）設(shè)計(jì)出了一種基于FPGA系統(tǒng)的光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)，從理論和實(shí)驗(yàn)的角度分析了系統(tǒng)的可行性；

2）采用FPGA設(shè)計(jì)了解調(diào)系統(tǒng)的硬件平臺；

3）通過FPGA對拉格朗日插值曲線擬合，實(shí)現(xiàn)了一種高精度的解調(diào)，通過采用雙光柵匹配解調(diào)方法有效地避免了雙值問題，并且有效地?cái)U(kuò)大了解調(diào)范圍。

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

[1] 饒?jiān)平?，王義平，朱濤.光纖光柵原理及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2006：169-178.

[2] 趙勇.光纖光柵及其傳感技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007：63.

[3] 莊其仁，龔冬梅，王靜，等.單片機(jī)的高精度FBG傳感解調(diào)技術(shù)[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，25（3）：254-257.ZHANG Qi-ren，GONG Dong-mei，WANG Jing，et al.FBG sensor demodulation precision microcomputer technology[J].Huaqiao University Technology：Natural Science Edition，2004，25（3）：254-257.

[4] Kersey A D，Berkof T A，Morey W W.High resolution fibergrating based strain sensor with interferometrir wavelengthshift detection[J].I Elec-tronics Letters，1992，28（3）：236-238.

[5] 詹亞歌，陸青，向世清，等.優(yōu)化光纖光柵傳感器匹配光柵解調(diào)方法的研究[J].光子學(xué)報(bào)，2004，33（6）：711-715.ZHAN Ya-ge，LU Qing，XIANG Shi-qing，et al.Optimization of fiber bragg grating sensor demodulation of matching gratings[J].Photon Science，2004，33（6）：711-715.

[6] Weis R S，Kersey A D，Berkof T A.A four-element fiber grating sensorarray with phase-sensitive detection[J].Photonics Technology Letters，1994，6（12）：1469-1472.