基于FPGA的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究

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(gè)高精度、穩(wěn)定、操作簡單、性價(jià)比高的信號(hào)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(hào)，常用解調(diào)方法有：1)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(shí)需反復(fù)校準(zhǔn)，且高精度光譜儀價(jià)格昂貴，基于干涉法建立的信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)最大缺點(diǎn)是掃描速度慢，并且價(jià)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。而匹配解詞法具有分辨率較高、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(jià)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)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA的時(shí)鐘頻率高，內(nèi)部時(shí)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(gè)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(shí)、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(gè)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(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路和信號(hào)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(hào)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(duì)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(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器來調(diào)諧的。當(dāng)并聯(lián)的2個(gè)匹配光纖光柵處于自由態(tài)時(shí)，使得2個(gè)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(shí)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(hào)幅值最大，此時(shí)FPGA輸出一個(gè)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(shí)，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，此時(shí)光電探測器某一路輸出的信號(hào)幅值下降，而另一路輸出的信號(hào)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(hào)來驅(qū)動(dòng)2個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，使2個(gè)匹配光纖光柵的中心波長同時(shí)發(fā)生變化，這2個(gè)匹配光纖光柵同時(shí)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(shí)克服了匹配濾波法信號(hào)檢測中的雙值問題。記錄此時(shí)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(hào)解調(diào)的目的。
當(dāng)一束光進(jìn)入光纖布拉格光柵后，對(duì)滿足布拉格條件的光會(huì)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，A為光柵周期。
外界環(huán)境溫度、壓力的變化都會(huì)使neff和A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(duì)式(1)兩邊的溫度求導(dǎo)，可得：
令，為光纖的熱光系數(shù)，描述光纖折射率隨溫度的變化關(guān)系；令為光纖的熱膨脹系數(shù)，描述光纖受熱膨脹所引起的光纖光柵周期的變化與溫度的關(guān)系。
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3dB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(gè)低損耗波段，即短波長0．8～0．9μm和長波長1．2～1．6μm；
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。