基于FPGA的光纖光柵溫度傳感器高速解調(diào)系統(tǒng)

王 偉,張?zhí)礻?陳海濱,郭子龍

(西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安 710021)

引 言

布喇格光柵光纖(fiber Bragg grating,FBG)作為一種均勻光柵光纖，其內(nèi)部的折射角度的變化和依據(jù)變化所形成的規(guī)律周期都沿著光纖軸向固定不變[1]。光纖布喇格光柵作為傳感元件，具有低損耗、光譜特性好、易于連接、可靠性高的優(yōu)點[2]，其傳感的信息采用波長編碼，且波長參量不受光源功率起伏以及光路連接或耦合損耗的影響，抗干擾能力很強(qiáng)。因此光纖光柵的解調(diào)是光纖光柵傳感器用的關(guān)鍵技術(shù)。

目前的光纖光柵傳感器解調(diào)方法大部分都是基于波長掃描原理對光纖光柵進(jìn)行解調(diào)，衡量解調(diào)系統(tǒng)的重要指標(biāo)就是掃描速度和解調(diào)精度[3]。FBG傳感信號的解調(diào)方法有很多，可分為以下幾類:邊緣濾波法[4]、匹配濾波法[5]、可調(diào)諧濾波法[6]、光柵啁啾解調(diào)法[7]、CCD測量法[8]、干涉解調(diào)法[9]。2009年，WANG等人采用2kHz鋸齒波輸出控制模塊給法布里-珀羅 (Fabry-Pérot,F-P) 腔提供驅(qū)動，在50nm帶寬2kHz的掃描頻率下，實現(xiàn)了平均尋峰誤差小于0.5pm的光纖光柵解調(diào)[10]。2013年，CAI等人提出了一種基于狀態(tài)機(jī)的自適應(yīng)半峰檢測算法，采用時間交替技術(shù)完成對光譜波形的高速采樣[11]。LI等人采用半導(dǎo)體光放大器和可調(diào)諧F-P濾波器，采用2kHz的類三角波調(diào)制信號，驅(qū)動F-P濾波器在50nm的光譜范圍內(nèi)進(jìn)行快速掃描[12]，有效減小了FP腔的腔長變化的非線性效應(yīng)。迄今為止，光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)存在著光源穩(wěn)不穩(wěn)定、解調(diào)系統(tǒng)體積龐大、解調(diào)速率較慢等亟待解決的問題。

本文中針對上述存在的問題提出了一種高速小型化解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計?；谛⌒徒t外光譜儀模塊和200M高速采樣芯片，利用現(xiàn)場可編程門陣列(field-programmable gate array,FPGA)器件作為主控芯片設(shè)計了用于光纖光柵溫度解調(diào)的數(shù)字式高速解調(diào)系統(tǒng)，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、分辨率高的優(yōu)點，并且顯著提高了光纖光柵溫度傳感器的解調(diào)速率。

1 解調(diào)原理

根據(jù)光纖耦合模理論和Bragg反射條件，反射光的中心波長可由下式表示：

λk=2neffΛ

(1)

式中，λk為反射光的中心波長，neff為FBG的有效折射率，Λ為FBG的寫入周期長度。

圖1為光纖布喇格光柵結(jié)構(gòu)原理圖。圖中，λb為入射光的波長帶寬，λb-λk為透射光的光譜范圍。

Fig.1 Schematic diagram of FBG structure

光柵光纖的周期Λ和纖芯折射率會隨著傳感器所處環(huán)境溫度的改變而改變， 可由下式表示：

dλk=λk(α+ξ)dT

(2)

根據(jù)FBG的熱光系數(shù)ξ和線性熱膨脹系數(shù)α，推導(dǎo)出溫度T改變時，反射光中心波長的偏移量。普通的摻鍺石英光纖的線性熱膨脹系數(shù)α=0.55×10-6/℃，熱光系數(shù)ξ=7.0×10-6/℃，相對溫度靈敏度系數(shù)為7.55×10-6/℃，本文中所采用的單模光纖光柵的中心波長峰值為1550.938nm，理論計算得到光纖光柵溫度傳感器的溫度靈敏度約11.71pm/℃。

本文中基于小型近紅外光譜儀模塊和200M高速采樣芯片，利用FPGA作為主控芯片設(shè)計了用于光纖光柵溫度解調(diào)的數(shù)字式高速解調(diào)系統(tǒng)，具有小體積、結(jié)構(gòu)緊湊、分辨率高的優(yōu)點，并且顯著提高了光纖光柵溫度傳感器的解調(diào)速率。

1.1 光路設(shè)計

Fig.2 The integrated block of demodulation system

本文中所搭建的光路簡單，有利于光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的小型化。如圖2所示，光路部分包括放大自輻射(amplified spontaneous emission,ASE)光源、三端口環(huán)形器、光譜儀模塊、光纖光柵溫度傳感器。ASE光源的波長范圍為1536nm～1566nm，ASE發(fā)出的光通過端口3光纖環(huán)行器的端口1進(jìn)入光纖環(huán)行器，光再通過環(huán)行器的端口2進(jìn)入FBG傳感器，F(xiàn)BG反射的光信號通過光纖環(huán)行器的端口3和光譜儀模塊相連，光譜儀模塊的響應(yīng)波長范圍為1525nm～1570nm，滿足對ASE光源的發(fā)射波長范圍探測的需求。光譜儀探測到傳感器的反射信號后，將信號發(fā)送給采樣電路。FPGA電路驅(qū)動控制光譜儀模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換(analog-digital,AD)采樣電路的同時，將采樣獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后送至上位機(jī)，在上位機(jī)上實時動態(tài)顯示。

1.2 電路設(shè)計

本文中采用的光譜儀模塊的解調(diào)速度可以達(dá)到20kHz，而且該系統(tǒng)選用了ADC08200芯片，最高采樣速率可達(dá)200M，可以滿足數(shù)據(jù)采樣速率的要求，而FPGA芯片具有并行高速處理的特點，因此可以實現(xiàn)較快的數(shù)據(jù)處理速度，結(jié)合上位機(jī)顯示，能夠?qū)饫w光柵傳感器進(jìn)行實時的監(jiān)測，實現(xiàn)高速解調(diào)的效果。圖3為光譜儀模塊的電路設(shè)計。

Fig.3 Circuit of spectrometer module

光譜儀模塊選用的是Ibsen公司I-MON 256系列的 InGaAs 線性像傳感器，具有低噪聲、低暗電流、易操作性，采用相關(guān)的雙重采樣(correlated double sampling，CDS)電路和無損檢測。該光譜模塊內(nèi)部通過線陣掃描輸出的方式，通過電流積分的方式，將探測到的光信號從長波到短波依次輸出。其內(nèi)部是由256個線性像素單元，其內(nèi)部集成有時鐘電路，工作過程分為復(fù)位階段、電流積分階段、電壓輸出階段。且設(shè)置的電流積分時鐘周期數(shù)越大，則電流積分的時間周期越長，輸出的電壓值也就越高，可以使得輸出的光譜相對強(qiáng)度值整體增大，同時，I-MON模塊輸出信號并不是波的光譜，需要進(jìn)行區(qū)間轉(zhuǎn)換，從而計算出每個波長對應(yīng)的相對強(qiáng)度，通過尋峰算法，取出最大光強(qiáng)處的中心波長。AD轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號、AD轉(zhuǎn)換啟動信號AD-sp、時鐘信號和復(fù)位信號通過LSF01088 通道雙向多電壓電平轉(zhuǎn)換器和FPGA控制電路相連，通過控制電路可以實現(xiàn)對光譜儀模塊AD轉(zhuǎn)換的控制。光譜儀模塊的輸出信號VIDEO和高速采樣芯片ADC08200相連。可以通過控制光譜儀模塊的電流積分時間，改變光譜儀模塊的輸出信號VIDEO值的大小，可以通過修改軟件程序?qū)崿F(xiàn)掃描光譜輸出幅值的大小，采樣電路如圖4所示。

Fig.4 Sampling cricuit

光譜儀模塊的輸出信號VIDEO和采樣芯片的VIN引腳相連，采樣芯片的輸出信號D0～D7輸出到FPGA控制電路，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。該光譜儀模塊的時鐘可以達(dá)到6MHz，像素單元有256個，其中需要額外的積分時間控制輸出光譜幅值大小，由此需要290個時鐘周期，通過計算可知，該光譜儀模塊的掃描速率可以達(dá)到20kHz。

解調(diào)電路中的光譜儀模塊的外形尺寸為21mm×50mm×66mm,電路板的尺寸為120mm×99.5mm，此外該解調(diào)系統(tǒng)的電源采用的是6V的輸入電壓供電?？梢圆捎脙煞N供電方式:一種是采用線性穩(wěn)壓器，輸入220V交流電，輸出6V電路直流電壓;還可以采用充電干電池的方式給電路板供電。兩種供電方式所占用的解調(diào)系統(tǒng)空間都有限，使本文中所設(shè)計的光纖光柵溫度傳感器解調(diào)儀的結(jié)構(gòu)更加緊湊、體積更小、更加便攜。

1.3 尋峰算法

尋峰算法是解調(diào)系統(tǒng)中的關(guān)鍵也是系統(tǒng)中的一個難點問題。尋峰算法的目的是要對采集得到的大量離散不連續(xù)數(shù)據(jù)尋到峰值點，尋峰算法要滿足準(zhǔn)確性高、速度快的要求[13]。FBG 反射光譜含有的白噪聲、高斯噪聲、相位工頻噪聲等，會干擾反射光譜峰值對應(yīng)中心波長值的檢測，因此需要有合適的尋峰算法濾除光譜噪聲[14]。噪聲幅值應(yīng)在信號幅值的0.1倍以下，否則將產(chǎn)生較大的誤差[15]。

高斯擬合算法先進(jìn)行高斯多項式變換，采用一般多項式擬合算法得到峰值位置[16]。光纖光柵的反射光功率密度譜曲線可以用高斯函數(shù)近似表示：

(3)

式中，I0表示中心波長的光強(qiáng)，λk表示中心波長，Δλ表示光譜波長范圍，I(λ)表示波長為λ時的光強(qiáng)，對上式兩端進(jìn)行對數(shù)變換，令：y=lnI,A=-4ln2/(Δλ)2,B=8ln2×λk/(Δλ)2,C=lnI0-4ln2×λk/(Δλ)2,則(3)式可以改寫為：

y=A×λ2+B×λ+C

(4)

可以推算出FBG的反射譜對應(yīng)的中心波長為：

(5)

本文中采用高斯多項式擬合尋峰算法對FBG溫度傳感器的中心波長進(jìn)行了解算。為了驗證擬合效果，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了高斯擬合，和高分辨率的光譜儀測量結(jié)果進(jìn)行了對比，圖5為擬合曲線和實驗數(shù)據(jù)曲線圖。橫坐標(biāo)為波長，縱坐標(biāo)為功率譜密度(power spectral density，PSD)。

Fig.5 Fitting curve of the experienced data

然后將其和高分辨率的光譜儀測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證算法的擬合效果，光譜儀采集的一組功率譜密度圖如圖6所示。

Fig.6 Power spectral density measured by a spectrometer

2 實驗與分析

對中心波長為1550.938nm的FBG溫度傳感器進(jìn)行了實驗，其參量如表1所示。

Table 1 Parameters of fiber rating sensor

實驗環(huán)境為室溫，測量范圍為30℃～60℃,以1℃為測量間隔，記錄對應(yīng)的中心波長值，測量的時候，須等到溫度恒定后，再將其數(shù)值記錄下來，然后做10次重復(fù)性實驗，取其均值作為最終的實驗結(jié)果，最后對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，確定溫度和中心波長的線性關(guān)系。

對圖7中溫度和峰值波長散點的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性擬合，擬合后的線性方程為：

λc=1551.05473+0.01249Te

(6)

式中，λc為反射光的峰值波長，Te為測量環(huán)境的溫度，通過(6)式可以得出：溫度每上升1℃，高斯多項式擬合法測得的峰值波長偏移量為12.49pm。

Fig.7 Relationship between temperature and peak wavelength

通過將實驗數(shù)據(jù)和理論值進(jìn)行比較，實驗結(jié)果和理論結(jié)果存在差異。計算是在理想條件下進(jìn)行的，而實驗的時候，測試環(huán)境以及光纖材料的折射率等因素都屬于不確定因素，會造成理論值和實驗數(shù)據(jù)的差異。而且在測量過程中為了減小這種誤差做了多次測量，但是通過多次提高測量的精確度，只能無限逼近準(zhǔn)確度，因此這種誤差是被允許的。

3 結(jié) 論

本文中以高分辨率數(shù)字式光譜儀為核心器件，通過FPGA控制電路和高速采樣電路，在30℃～60℃的溫度范圍內(nèi)，實現(xiàn)了解調(diào)速度高達(dá)20kHz、靈敏度為12.49pm/℃的光纖光柵溫度傳感器解調(diào)儀設(shè)計。相比于傳統(tǒng)的光譜儀解調(diào)方式具有解調(diào)速度快、體積小而緊湊、便攜等特點。相比于其它匹配法等解調(diào)方式具有裝置簡易、系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點。本文中所提出的高速的FBG光纖光柵，目前的測量溫度范圍有限，通過進(jìn)一步的研究，可以將其應(yīng)用到溫度動態(tài)變化范圍大的領(lǐng)域，比如航空發(fā)動機(jī)的監(jiān)測，其高溫工作環(huán)境和溫度的高速變化對傳感監(jiān)測技術(shù)產(chǎn)生了挑戰(zhàn)，也是未來發(fā)展FBG傳感技術(shù)的發(fā)展方向之一。