基于FPGA的光纤光栅解调系统的研究

精确检测由各种外界参量变化引起的Bragg波长微小偏移，并简洁显示，是与光纤Bragg光栅传感器在工程技术中的商用化息息相关。一个高精度、稳定、操作简单、性价比高的信号解调系统是FBG传感器设计的关键。
由于光纤光栅传感器的关键技术是解调传感器反射波长的编码信号，常用解调方法有：1)直接法，即光谱仪检测法；2)滤波法，包括匹配FBG可调滤波检测法边缘滤波法可调谐F-P滤波法；3)干涉法，包括非平衡M-z干涉法，非平衡迈克尔逊干涉法；4)可调光源解调法，包括锁模法可调窄带光源检测法：5)光栅色散解调法。其中光谱仪检测法中的光谱仪体积庞大，结构复杂，携带不便，使用时需反复校准，且高精度光谱仪价格昂贵，基于干涉法建立的信号解调系统最大缺点是扫描速度慢，并且价格偏高。上述解调方法共同的缺点是分辨率不高，成本高。而匹配解词法具有分辨率较高、解调速度快、重复性好、成本低等优点，应用广泛。目前国内外已研究出高精度、高分辨率的光纤光栅传感器解调仪，但价格昂贵，很难在实际工程中得到广泛应用。为了使光纤传感器应用广泛，首先就是降低成本，又因为FPGA的时钟频率高，内部时延小，全部控制逻辑由硬件完成，速度快效率高，适于大数据量的高速传输控制；组成形式灵活，可以集成外围控制，译码和接口电路。于是把FPGA引入到实际解调电路中。因此，开发了一个基于FPGA的光纤光栅解调系统。该系统采用双匹配光栅为调谐元件，具有较高的分辨率和测量精度，并能够实时、准确地实现测量。

1 基于双匹配光纤光栅解调技术的解调系统
1．1 系统装置
本系统采用双匹配光纤光栅并联解调法解调光纤光栅传感信息，其工作原理如图1所示。宽带光源(BBS)发出的光经过3 dB耦合器1入射到传感光纤光栅FBG1，透射光被折射率匹配液吸收，只有满足Bragg条件的光才被反射回来，再次经3 dB耦合器2进入3 dB耦合器3和3 dB耦合器4，到达并联的2个匹配光栅FBG2和FBG3。通过FBG2和FBG3的透射光被折射率匹配液吸收，反射光被光电探测器PIN1和PIN2接收。光电探测器接收从匹配光纤光栅反射回来的光，把光信号转换成微弱的电信号，再经过信号调理电路和信号采集电路输入给FPGA处理。FPGA将采集的数据一方面进行信号处理，另一方面通过显示屏显示所测的数据结果。

1．2 工作原理
图1所示的系统中，FBG仅对满足的单一波长光进行反射。只有后向反射光才能在光电探测器上产生强输出。匹配光纤光栅FBG2和FBG3是FPGA通过2个压电陶瓷驱动器来调谐的。当并联的2个匹配光纤光栅处于自由态时，使得2个匹配光纤光栅的至少1路与传感光纤光栅FBG1的峰值反射波长相同，此时没有光透过匹配光纤光栅，光全部被反射，因此光电探测器的输出信号幅值最大，此时FPGA输出一个固定的电压，使匹配光纤光栅的中心波长不再变化。当传感光纤光栅FBG1因外界物理量温度或应变等，使中心波长发生变化时，匹配光纤光栅FBG2或者FBG3与传感光纤光栅FBG1的峰值反射波长不再匹配，此时光电探测器某一路输出的信号幅值下降，而另一路输出的信号幅值可能下降也可能上升。芯片通过周期性变化的锯齿波电压信号来驱动2个压电陶瓷驱动器，使2个匹配光纤光栅的中心波长同时发生变化，这2个匹配光纤光栅同时跟踪传感光纤光栅FBG1的波长变化，直至使光电探测的2路输出幅值达到最大为止。在原理上增强了系统的可靠性，同时克服了匹配滤波法信号检测中的双值问题。记录此时输出的电压大小，根据输出电压与波长漂移的拟合曲线，进行数据处理，最后根据传感器外界物理量与波长的编码关系式即可计算出待测物理量温度、压强或应变等的大小达到信号解调的目的。
当一束光进入光纤布拉格光栅后，对满足布拉格条件的光会产生反射。光纤布拉格光栅反射波的中心波长为：

式中neff为光纤光栅的有效折射率，A为光栅周期。
外界环境温度、压力的变化都会使neff和A发生变化，从而导致光纤光栅反射波的中心波长发生漂移。对式(1)两边的温度求导，可得：
令，为光纤的热光系数，描述光纤折射率随温度的变化关系；令为光纤的热膨胀系数，描述光纤受热膨胀所引起的光纤光栅周期的变化与温度的关系。
则式(3)可以简写为：

由式(4)可知，dλg与dT成线性关系，通过测量dλg就可以确定温度T。

2 解调系统的硬件设计
2．1 光源和3dB耦合器的选择
光源的特性决定光纤系统是否达到预计的指标。作为光源的发光器件应该满足以下条件：
1)体积小，发光面积应与光纤芯径的尺寸相匹配，而且光源和光纤之间应有较高的耦合效率；
2)发射光波长应适合光纤两个低损耗波段，即短波长0．8～0．9μm和长波长1．2～1．6μm；
3)直接进行光强度调制，且与调制器的连接方便；
4)可靠性高，工作寿命长，稳定性高，互换性好。[p]
耦合器是一种用于传送和分配光信号的无源器件。通常，光信号由耦合器的一个端口输入，而从另一个或几个端口输出，因此，耦合器可以用来减少系统中的光纤用量以及光源和光纤活动接头的用量，也可用于节点互连与信号混合。它可在相同波长上，将来自几束光纤的光耦合到其他几柬光纤中，也可将光从一束光纤分离到几束光纤中。耦合器是通过将2根或多根光纤熔接并拉伸，产生一个耦合区而产生的。理想的光纤耦合器，信道插入损耗为0 dB，隔离度为1。一般实际值与理想情况接近。分光比为50％：50％的2x2光纤耦合器被称为3dB耦合器。
2．2 A／D转换器和FPGA器件选型
采集电路是实现模拟信号数字化的电路，其模数(A／D)转换器是采集电路的核心。系统对2路电压信号同时采集。考虑到系统的速度、精度和分辨率等要求，这里采用16位的A／D转换器AD976。AD976采样速率高达100 Ks／s，采用的是电荷重分布技术的逐次逼近型模数转换器，由内部电容模块进行高速采样，因此无需外加采样保持器，从而简化了外围电路的设计。
此系统采用ALTERA公司优性价比的Cyclone系列EP1CQ240C8。EP1CQ240C8内部有LE 5 980个，PLL2个，185个I／O端口。利用PLL可完成对输入分频、倍频、占空比的设定、特定的相移，非常方便。把输入时钟必须分给全局时钟引脚。EP1CQ240C8内部有RAM 92 160 bit，可以实现单口RAM，双口同步FIFO，异步FIFO，CAM(内容地址存储器)，丰富的I／O可以完成和外设的连接。
2．3 信号调理电路
信号调理电路主要完成光电转换和小信号的放大和滤波等功能。本系统的光电探测器采用PED100-LN，其暗电流小、响应度高、响应速度快、稳定性和可靠性好，在1 550nm的波长附近具有良好的线性输出；具有对数特性，对大信号增益小，对小信号增益大，因此可对功率在大范围内变化的光信号进行响应。光电探测器是将光信号转变为电流信号，其输出的电流通过高精密运算放大器构成的电路转换为合适的电压信号。为了使小信号电压信号不被电路噪声所淹没，所以在电路的前端加锁定放大电路，信号通过放大电路后传输到滤波电路，滤波电路选用二阶低通滤波电路。低通滤波电路输出的信号传输给下一级电路进行处理。
又由于光电探测器灵敏度低、输出电流小，一般只有数微安，甚至更小，因此必须选用前置放大器对信号进行放大。首先从去噪角度上考虑前置放大电路的设计，电路中需要引入去耦电容。去耦是去除芯片电源管脚上的噪声，噪声是芯片本身产生的。在直流电源电路中负载的变化会引起电源噪声。此外，前置放大电路还应该起到最大限度抑制噪声的作用，以获得最大的信噪比。前置放大器的核心部分是运算放大器，应尽量选择具有高的输入电阻、小的失调电流的高性能运算放大器。图2为前置放大电路。

作为光信号检测中的关键部分，前置放大电路的性能在很大程度上决定了整个光检测系统的性能。如果采用一般的放大器进行放大，放大器本身会引入较高的噪声，后一级放大器将对前一级放大器输出的信号和引入的噪声同时进行放大，因此信噪比不会得到改善，本系统中要探测的光电流信号很微弱，因此，前置放大器的增益必须很高。此外，前置放大电路还应该起到最大限度抑制噪声的作用，以获得最大的信噪比。综合各方面的考虑，本系统设计的前置放大电路如图2所示。由于OP07是一种低噪声，非斩波稳零的单运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。光电探测器输出的光电流信号经过前置放大器后，实现了电流-电压的转换和一次放大，但是为了满足后续电路的需要，必须对信号进行二次放大，二级放大电路选用高精密运算放大器OP07构成。其二级放大电路如图3。

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3 解调系统的软件设计
光纤光栅的解调算法受到测试条件和解调方法的限制，至今还没有统一的可用公式，可通过试验的方法，测出一组典型数据，用曲线拟合算法进行拟合计算，确定传感光纤光栅中心波长偏移量。为了提高解调系统的精度，需要大量的数据处理和计算，可对FPGA进行数据存储器的外扩，或通过串口把数据传输给上位机进行数据存储和处理。解调系统软件由以初始化子程序、PZT驱动子模块、模数转换子模块、求最大值子模块、数据拟合子模块、显示子模块及通信接口子模块等组成。图4为解调系统软件流程图。

借助引入标准光栅的解调方案，提出了一种实时计算拟合曲线的方法，实现了动态的曲线拟合，保证了测量的高精度。因为这种动态拟合曲线去除了由于光强抖动等产生的随机误差，同时，这样还可以在相当程度上避免由于偶然或者固有原因所带来的误差。拟合曲线算法采用拉格朗日插值方法，其公式为：

首先求出一组典型的数据，假设取若干组数据，利用拉格朗日插值法，可以得到所需的波长值。为了方便用流程图表示，选取5个点A1(x1，Y1)，A2(x2，Y2)，A3(x3，Y3)，A4(x4，Y4)，A5(x5，Y5)。具体流程如图5所示。

4 结论
FBG光栅有着广泛的应用前景，有关于FBG光栅的理论研究到目前为止已经取得很大的成就，采用合适的解调技术，降低光纤光栅的使用成本，就能够推动光纤光栅传感器在实际工程中得到广泛应用。基于此，探讨了3大问题：
1)设计出了一种基于FPGA系统的光纤光栅波长解调系统，从理论和实验的角度分析了系统的可行性；
2)采用FPGA设计了解调系统的硬件平台；
3)通过FPGA对拉格朗日插值曲线拟合，实现了一种高精度的解调，通过采用双光栅匹配解调方法有效地避免了双值问题，并且有效地扩大了解调范围。
目前限制光纤光栅传感器大量实际应用最主要的障碍依然是传感信号的解调。因此，研究开发适用于实际工程应用的解调系统，降低成本，是光纤光栅传感器在实际工程应用中得到推广的至关重要的课题。