基于多級(jí)衍射及自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵傳感器解調(diào)技術(shù)*

張曉鵬,董明利,劉 鋒,祝連慶

(北京信息科技大學(xué)光電信息與儀器北京市工程研究中心,光電測(cè)試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100192)

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基于多級(jí)衍射及自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵傳感器解調(diào)技術(shù)*

張曉鵬,董明利,劉 鋒,祝連慶*

(北京信息科技大學(xué)光電信息與儀器北京市工程研究中心,光電測(cè)試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100192)

解調(diào)技術(shù)是決定光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)速率、精度、容量等性能的關(guān)鍵因素。提出一種基于線陣光電探測(cè)器成像原理的光纖光柵傳感器解調(diào)方案,通過(guò)多級(jí)衍射,結(jié)合弱曝光自適應(yīng)超頻技術(shù)和FPGA并行數(shù)據(jù)處理技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感信號(hào)的快速解調(diào),同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)級(jí)聯(lián)型光纖光柵傳感器和長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器信號(hào)的解調(diào)。使用溫度、應(yīng)力敏感光纖光柵傳感器對(duì)搭建的鐵路橋模型進(jìn)行監(jiān)測(cè),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光纖光柵傳感系統(tǒng)的解調(diào)精度可以達(dá)到10 pm量級(jí),系統(tǒng)可測(cè)量光譜范圍達(dá)50 nm,提高了傳感系統(tǒng)的解調(diào)速率和精度,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了光纖光柵解調(diào)設(shè)備的微型化。

光纖光柵傳感器;線陣光電探測(cè)器;多級(jí)衍射;自適應(yīng)補(bǔ)償;FPGA解調(diào)

傳統(tǒng)的傳感器及其解調(diào)技術(shù)在常規(guī)領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用,但是對(duì)于一些特殊、極端環(huán)境,如航空航天、航海、醫(yī)療以及石化等特殊工業(yè),普通的傳感器已經(jīng)無(wú)法滿足如此極端環(huán)境的要求。為解決這樣的問(wèn)題,光纖光柵傳感器應(yīng)運(yùn)而生[1]。

近年來(lái)光纖光柵傳感器及其解調(diào)儀的研究備受矚目,其中美國(guó)Micron Optics公司,Ocean Optics公司,Ibsen公司和荷蘭Avantes公司都在開(kāi)展相關(guān)研究。其中光路設(shè)計(jì)方面主要采用基于光纖Fabry-Perot(F-P)濾波器解調(diào)法[2]和基于衍射光柵與線陣光電探測(cè)器解調(diào)法[3]。Fabry-Perot(F-P)濾波器解調(diào)法是現(xiàn)在效果較好的一種解調(diào)方法,而其存在諸多弊端,諸如解調(diào)速度、儀器體積等[4]。而基于衍射光柵與線陣光電探測(cè)器解調(diào)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(chǎn)的基于體相位光柵法光纖光柵傳感器解調(diào)儀在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用,不過(guò)其在解調(diào)速度和解調(diào)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(cè)器法成為研究熱點(diǎn),而其較小的體積也備受一些非常規(guī)領(lǐng)域使用者的青睞[8-9]。我國(guó)是從20世紀(jì)90年代開(kāi)始開(kāi)展相關(guān)研究,國(guó)外對(duì)國(guó)內(nèi)進(jìn)行技術(shù)封鎖,相關(guān)原理設(shè)備和知識(shí)產(chǎn)權(quán)較少,大多數(shù)設(shè)備的體積、解調(diào)精度和采樣率無(wú)法達(dá)到應(yīng)用水平[10-11]。

本文研究的重點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)更快,更精確,數(shù)據(jù)量更龐大的傳感系統(tǒng)。對(duì)于光纖光柵傳感器,精度以及解調(diào)范圍是光纖光柵傳感器解調(diào)儀的發(fā)展根本,因此高速光纖光柵傳感器解調(diào)儀成為研究熱點(diǎn)[12-14]。本文基于線陣光電探測(cè)器成像原理對(duì)高速大容量光纖光柵解調(diào)儀展開(kāi)研究,結(jié)合光電檢測(cè)與數(shù)據(jù)高速傳輸理論,在光電檢測(cè)方面采用線陣光電探測(cè)器成像技術(shù),多級(jí)衍射技術(shù)。在高速傳輸方面采用FPGA并行數(shù)據(jù)處理技術(shù),集成光學(xué)色散系統(tǒng)和FPGA(Field-Programmable Gate Array)解調(diào)系統(tǒng),采用弱曝光自適應(yīng)補(bǔ)償超頻技術(shù)設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)小型高速光纖光柵傳感器解調(diào)儀。

1 高速光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 解調(diào)原理

基于線陣光電探測(cè)器成像原理的解調(diào)儀是通過(guò)線陣光電探測(cè)器作為轉(zhuǎn)換媒介,把光譜信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào),供后續(xù)電路解調(diào)使用。其中,光路采用透射光柵色散原理,把反射光譜進(jìn)行色散處理后投射到線陣光電探測(cè)器感光面上,從而在線陣光電探測(cè)器不同像元上對(duì)反射光譜進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。這樣可以擴(kuò)大解調(diào)范圍、提高解調(diào)精度。

數(shù)據(jù)處理方面,采用高速FPGA作為核心器件,把經(jīng)本地處理后的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。解調(diào)儀與上位機(jī)接口采用千兆以太網(wǎng)口,這種設(shè)計(jì)可以滿足大數(shù)據(jù)量、高速信號(hào)處理的需求。在需要大面積鋪設(shè)傳感器的應(yīng)用中,這種解調(diào)方式極大的節(jié)省了布線量。甚至可以采用光纖光柵級(jí)聯(lián)或長(zhǎng)周期光纖光柵形式進(jìn)行布局布線。圖1為光纖光柵傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖。

圖1 系統(tǒng)框架圖

如圖所示,光電探測(cè)器接收到信號(hào)后,經(jīng)由信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路把信號(hào)發(fā)送給主控芯片F(xiàn)PGA,再由FPGA控制高速高精度處理器發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)。

1.2 基于多級(jí)衍射與線陣光電探測(cè)器光路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器的小型化,通過(guò)采用多級(jí)衍射的方法,實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)光路系統(tǒng)微型化。所有器件均選用微小型產(chǎn)品,經(jīng)過(guò)組合、調(diào)試、標(biāo)定、封裝后可以更好地應(yīng)用在空間受限的場(chǎng)合。圖2為多級(jí)衍射光路原理圖。

圖2 多級(jí)衍射光路原理圖

如圖2所示,入射光首先經(jīng)過(guò)第1個(gè)衍射光柵,完成一級(jí)衍射,此時(shí)光譜產(chǎn)生色散,然后被色散后的入射光經(jīng)過(guò)第2個(gè)衍射光柵后色散效果進(jìn)一步增強(qiáng),完成二級(jí)衍射。經(jīng)過(guò)兩級(jí)衍射后的光譜再經(jīng)由凹面鏡的匯聚投射到線陣光電探測(cè)器上,供電路部分使用。

在采用多級(jí)衍射技術(shù)的同時(shí),選擇適用于紅外波段的特殊光柵,不僅覆蓋現(xiàn)在解調(diào)信號(hào)常用的激光波長(zhǎng),而且可以進(jìn)一步提高解調(diào)范圍,獲得更高的頻譜分辨率,大幅度提高波長(zhǎng)測(cè)量精度。為了應(yīng)對(duì)長(zhǎng)周期光柵或多光柵級(jí)聯(lián)的情況,采用光譜成像原理實(shí)現(xiàn)同時(shí)解調(diào)多組信號(hào),并在保證測(cè)量數(shù)量的前提下,極大的提高了系統(tǒng)分辨率和解調(diào)精度。

為了驗(yàn)證所提方案的合理性,本文使用ZEMAX軟件進(jìn)行了模擬分析。具體參數(shù)設(shè)置如下。

表1 ZEMAX模擬參數(shù)

光路模型和模擬結(jié)果如圖3。圖3為使用ZEMAX模擬后的系統(tǒng)圖,通過(guò)仿真可以看出與設(shè)計(jì)結(jié)果一致。

圖3中,1 520 nm、1 550 nm、1 570 nm光源在凹面鏡焦點(diǎn)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(kāi)。

圖3 解調(diào)光路模擬圖

圖4 成像面光譜圖

由于光學(xué)器件對(duì)溫度敏感,所以為了提高解調(diào)精度,需要在中心波長(zhǎng)測(cè)量值的基礎(chǔ)上進(jìn)行溫漂標(biāo)定,式(1)提出了一種合理的光學(xué)器件溫漂標(biāo)定公式,可以在pm量級(jí)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。首先建立檢測(cè)波長(zhǎng)與溫度之間的線性關(guān)系,線性式系數(shù)為大于零的小數(shù),以此設(shè)定便于程序處理和分析。由于線性關(guān)系變化范圍過(guò)快,需要在上述線性式的基礎(chǔ)上加上分母,進(jìn)行類似于歸一化的精細(xì)微調(diào),為了實(shí)現(xiàn)微調(diào)的效果,分母也被設(shè)定為溫度的線性式。

(1)

式中:λT為波長(zhǎng)測(cè)量值,T為溫度值,α、β、α0、β0為需要標(biāo)定的系數(shù)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè),式(1)可以較好的對(duì)溫度漂移帶來(lái)的波長(zhǎng)漂移進(jìn)行補(bǔ)償。

1.3 基于自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)母咚賯鬏斕幚黼娐吩O(shè)計(jì)

1.3.1 高速處理傳輸系統(tǒng)方案

經(jīng)過(guò)凹面鏡聚焦后的光信號(hào),投射在線陣光電探測(cè)器上,線陣光電探測(cè)器同樣采用對(duì)紅外波長(zhǎng)敏感的材料InGaAs,具有速率高、分辨率高等特點(diǎn),檢測(cè)范圍可達(dá)900nm到1800nm。將線陣光電探測(cè)器采集到的信號(hào)經(jīng)預(yù)處理并進(jìn)行16bitAD轉(zhuǎn)換后并行傳輸至FPGA,利用FPGA強(qiáng)大的并行處理和邏輯處理能力對(duì)信號(hào)管理,最后經(jīng)由千兆以太網(wǎng)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行分析、顯示、存儲(chǔ)等。高速處理傳輸系統(tǒng)是以FPGA為核心器件構(gòu)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(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)解調(diào)設(shè)備的微型化。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用高速高頻器件,采用FPGA并行數(shù)據(jù)處理技術(shù),工作頻率達(dá)到10MHz以上,大大提升了數(shù)據(jù)處理速度和數(shù)據(jù)吞吐量。

1.3.2 弱曝光自適應(yīng)補(bǔ)償超頻技術(shù)

線陣光電探測(cè)器的數(shù)據(jù)輸出頻率為4MHz,使系統(tǒng)解調(diào)速度受到限制,因此盡可能增加系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)采集到的傳感器信號(hào),可以更好地發(fā)揮系統(tǒng)解調(diào)速率優(yōu)勢(shì)。采用弱曝光自適應(yīng)補(bǔ)償超頻技術(shù),用FPGA產(chǎn)生線陣光電探測(cè)器復(fù)位信號(hào),使其復(fù)位周期縮短到微妙甚至納秒量級(jí),以實(shí)現(xiàn)在線陣光電探測(cè)器輸出頻率不變的情況下,檢測(cè)到更多的傳感器信號(hào),從而提高系統(tǒng)解調(diào)速度。通過(guò)FPGA時(shí)序邏輯控制,可以實(shí)現(xiàn)不同條件需求下曝光時(shí)間的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。弱曝光自適應(yīng)補(bǔ)償超頻技術(shù)在對(duì)檢測(cè)速度有較高要求的環(huán)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(yīng)補(bǔ)償超頻技術(shù)的原理圖。

圖5 弱曝光自適應(yīng)補(bǔ)償超頻技術(shù)原理圖

圖5中,從左到右依次是光電線陣傳感器,4個(gè)控制端口。4個(gè)控制端口分別為AD片選信號(hào),光電線陣探測(cè)器reset信號(hào),AD采樣信號(hào)和光電線陣探測(cè)器時(shí)鐘信號(hào)。通過(guò)程序控制光電線陣探測(cè)器reset信號(hào)以及光電線陣探測(cè)器時(shí)鐘信號(hào)可以達(dá)到弱曝光自適應(yīng)補(bǔ)償超頻技術(shù)。根據(jù)需求設(shè)定解調(diào)速率或曝光時(shí)間,通過(guò)FPGA的處理把上述參數(shù)要求變換為光電線陣探測(cè)器的時(shí)鐘信號(hào),和復(fù)位信號(hào)。根據(jù)需求可以選擇時(shí)鐘信號(hào)超頻或者弱曝光技術(shù),采取自適應(yīng)的方式由系統(tǒng)內(nèi)部根據(jù)上位機(jī)要求決定需要采用的曝光時(shí)間和時(shí)鐘信號(hào)速率,之后通過(guò)協(xié)調(diào)光電線陣探測(cè)器提供給數(shù)模轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換信號(hào)完成解調(diào)信號(hào)的采集,最后經(jīng)由FPGA并行處理系統(tǒng)完成解調(diào)。

為更好地的發(fā)揮系統(tǒng)解調(diào)速率高的優(yōu)勢(shì),需要一個(gè)穩(wěn)定的信號(hào)處理系統(tǒng),是線陣光電探測(cè)器信號(hào)處理系統(tǒng)中的調(diào)理電路。調(diào)理電路通過(guò)阻容濾波,阻抗匹配實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的預(yù)處理,提高信號(hào)的信噪比,給模數(shù)轉(zhuǎn)換提供完善的信號(hào)。預(yù)處理電路與FPGA的同步也是能否實(shí)現(xiàn)弱曝光自適應(yīng)補(bǔ)償超頻技術(shù)的關(guān)鍵。預(yù)處理電路中,需要經(jīng)過(guò)大量計(jì)算和實(shí)驗(yàn)使解調(diào)信號(hào)在高速傳輸中不會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_和噪聲,需要注意PCB高速高頻布線技術(shù)的應(yīng)用,需要合理利用阻容濾波,阻抗匹配使得采樣波形達(dá)到信噪比最優(yōu)。原理圖如圖6所示。

圖6 預(yù)處理電路原理圖

1.3.3FPGA并行處理程序設(shè)計(jì)

使用verilog語(yǔ)言編寫(xiě)FPGA邏輯分析和數(shù)據(jù)處理程序,接收數(shù)據(jù),經(jīng)分析處理后,通過(guò)TCP/IP包封裝工具將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)口發(fā)送至上位機(jī)。使用FPGA并行數(shù)據(jù)處理技術(shù),最大限度的發(fā)揮FPGA的并行處理能力,實(shí)現(xiàn)多組數(shù)據(jù)的同時(shí)處理,加快數(shù)據(jù)處理速度。FPGA數(shù)據(jù)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(shí)間,同時(shí)還需要將原數(shù)據(jù)打包成TCP/IP包,并最終通過(guò)mac數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給上位機(jī)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路橋的監(jiān)測(cè)。光纖光柵傳感器采用對(duì)溫度以及應(yīng)力敏感的封裝形式,采用光纖光柵級(jí)聯(lián)方式,利用線陣光電探測(cè)器解調(diào)儀的高同步性、大量程等特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)5個(gè)位置溫度和應(yīng)力變化的同步監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。

圖9中給出了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭泄饫w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(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖

圖10 光纖光柵傳感器

圖11 線陣光電探測(cè)器輸出端

2.2 線陣光電探測(cè)器結(jié)果分析

使用線陣光電探測(cè)器采集5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù),結(jié)果如圖11所示,可清楚的看出線陣光電探測(cè)器采集到了5個(gè)不同光纖光柵傳感器的信號(hào),其中從左到右分別代表(1)號(hào)到(5)號(hào)光纖光柵傳感器。信號(hào)的幅值表示所使用的寬帶光源在相應(yīng)頻譜處的光強(qiáng),光強(qiáng)轉(zhuǎn)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(biāo)均為時(shí)間,縱坐標(biāo)均為電壓。

圖11橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)光譜范圍,縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度,橫坐標(biāo)體現(xiàn)了解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)范圍。圖中共有5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),從左到右分別為監(jiān)測(cè)點(diǎn)(1)到監(jiān)測(cè)點(diǎn)(5)。

(1)號(hào)和(3)號(hào)光纖光柵傳感器的反射峰具體波形如圖12所示?？梢钥闯?每個(gè)峰值對(duì)應(yīng)4個(gè)～5個(gè)線陣光電探測(cè)器像元,通過(guò)對(duì)這4個(gè)～5個(gè)強(qiáng)度值進(jìn)行分析解調(diào)最終得出反射峰峰值對(duì)應(yīng)的光譜值。

圖12 (1)與(3)號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值處局部放大像素點(diǎn)

線陣光電探測(cè)器采集到的信號(hào)是模擬信號(hào),需對(duì)此模擬信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理變?yōu)椴罘中盘?hào)后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換才能被FPGA系統(tǒng)接收。其中(3)號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)處理后的信號(hào)及經(jīng)過(guò)AD后的數(shù)字信號(hào)分別如圖13和圖14所示。

圖13 經(jīng)調(diào)理電路后模數(shù)輸入端

圖14 模數(shù)輸出端

圖15是圖14的局部放大圖,可以看出經(jīng)處理后的數(shù)字信號(hào)波形清晰,穩(wěn)定度較高,確保了解調(diào)系統(tǒng)應(yīng)有的解調(diào)數(shù)據(jù)大吞吐量得以實(shí)現(xiàn)。

圖15 AD輸出端局部放大

在弱曝光自適應(yīng)補(bǔ)償超頻技術(shù)中FPGA需要控制線陣光電探測(cè)器的reset信號(hào),圖16和圖17為兩種不同的曝光時(shí)間對(duì)應(yīng)的reset信號(hào)波形圖。通過(guò)控制reset信號(hào)使得系統(tǒng)解調(diào)頻率大大提高,可以看出解調(diào)頻率可高于5MHz,下圖中所提供的解調(diào)頻率為2MHz和6MHz。

圖16 強(qiáng)曝光

圖17 弱曝光

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)線陣光電探測(cè)器、預(yù)處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及FPGA數(shù)據(jù)處理電路最終可以由上位機(jī)解調(diào)出光譜圖。實(shí)驗(yàn)中溫度源變化范圍在15 ℃至30 ℃,振動(dòng)源變化范圍為2kHz到7kHz。

圖18是本文所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)得的結(jié)果,可清晰觀測(cè)到5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信號(hào),與Bayspec公司制作的解調(diào)儀采集的數(shù)據(jù)基本一致。

圖18 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)解調(diào)光譜圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的光線光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,采用高斯擬合方式分別對(duì)本系統(tǒng)和Bayspec公司系統(tǒng),光譜儀測(cè)量值進(jìn)行數(shù)據(jù)尋峰對(duì)比,通過(guò)重復(fù)采樣后取加權(quán)平均后結(jié)果如表2所示,可以看出本系統(tǒng)所測(cè)得的信號(hào)的準(zhǔn)確性較高。經(jīng)誤差分析與計(jì)算,系統(tǒng)精度可達(dá)10pm量級(jí)。

表2 尋峰數(shù)據(jù)對(duì)比

3 結(jié)論

本文基于線陣光電探測(cè)器設(shè)計(jì)了一套光纖光柵解調(diào)系統(tǒng),該系統(tǒng)使用弱曝光自適應(yīng)補(bǔ)償超頻技術(shù)和FPGA并行數(shù)據(jù)處理技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反射光譜在1 520nm到1 570nm范圍內(nèi)的光纖光柵傳感器進(jìn)行解調(diào),解調(diào)頻率可達(dá)15kHz以上,反射譜尋峰分辨率可達(dá)皮米量級(jí)。具有數(shù)據(jù)處理速度高、數(shù)據(jù)吞吐量大、體積小、低功耗、分辨率高等優(yōu)點(diǎn),具有良好的應(yīng)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(diào)技術(shù)研究,對(duì)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(xué)士學(xué)位,光電測(cè)試碩士學(xué)位;

董明利(1965-),女,博士、碩士生導(dǎo)師。中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)工作委員會(huì)常務(wù)理事兼副秘書(shū)長(zhǎng),全國(guó)誤差與不確定度研究會(huì)理事,北京信息科技大學(xué)光電工程學(xué)院任教授;

祝連慶(1963-),男,博士、博士生導(dǎo)師。于合肥工業(yè)大學(xué)分別獲學(xué)士、碩士學(xué)位,2013年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲博士學(xué)位?，F(xiàn)任北京信息科技大學(xué)教授,“光電測(cè)試技術(shù)”北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任,“光電信息與儀器”北京市工程研究中心主任。

項(xiàng)目來(lái)源:北京市重大科技計(jì)劃項(xiàng)目(PXM2013-014224-000077,PXM2012-014224-000019);光電信息與儀器北京市工程研究中心開(kāi)放課題項(xiàng)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