基于FPGA的多通道高速光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)

張爽爽，申雅峰

（航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095）

0 引言

光纖布拉格光柵（FBG）是目前使用頻率最高、應(yīng)用范圍最廣的光纖傳感器。它是利用對(duì)紫外光敏感的摻雜光纖，將其暴露在光強(qiáng)周期性分布的紫外激光下，摻雜光纖的纖芯折射率根據(jù)照射光強(qiáng)度產(chǎn)生軸向周期性變化，從而形成的一種芯內(nèi)相位光柵。與傳統(tǒng)電氣傳感器相比較，F(xiàn)BG傳感器具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可復(fù)用、損耗小、可長(zhǎng)距離測(cè)量、電絕緣性好、不受電磁干擾、不受腐蝕、防爆等優(yōu)點(diǎn)［1］。

為使用FBG傳感器測(cè)量物理量（溫度和壓力），采用波長(zhǎng)掃描技術(shù)對(duì)FBG傳感器進(jìn)行解調(diào)。在解調(diào)過(guò)程中，需要對(duì)光譜信號(hào)進(jìn)行采集和處理，而采用數(shù)據(jù)采集卡和PC機(jī)去實(shí)現(xiàn)，存在體積大，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)?；谇度胧降墓饫w傳感解調(diào)儀因體積小、速度快、便攜性好等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。在嵌入式領(lǐng)域，F(xiàn)PGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）具有并行處理、高速運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。本文研發(fā)了基于可調(diào)諧F-P濾波器的光纖布拉格光柵的解調(diào)技術(shù)，采用高速FPGA芯片作為并行處理器，實(shí)現(xiàn)了高速多通道的光纖光柵信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)。

1 解調(diào)系統(tǒng)方案

光纖光柵解調(diào)技術(shù)的關(guān)鍵在于如何獲取FBG傳感器反射信號(hào)的光譜波長(zhǎng)值。系統(tǒng)主要包括：內(nèi)置可調(diào)諧F-P濾波器的波長(zhǎng)掃描激光器，F(xiàn)-P標(biāo)準(zhǔn)具，光電探測(cè)器，啟動(dòng)脈沖電路以及嵌入式解調(diào)系統(tǒng)等。由鋸齒波電壓驅(qū)動(dòng)F-P濾波器產(chǎn)生波長(zhǎng)掃描光源，由半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生1510～1590 nm的增益，得到波長(zhǎng)掃描光源，出射的光1分2耦合器將光分成兩束，一束光注入1分16路光分路器，等分成16路輸送到FBG傳感器，并將FBG傳感器的光反射信號(hào)輸送到光探測(cè)放大模塊。另一束光則注入光纖F-P標(biāo)準(zhǔn)具中，F(xiàn)-P標(biāo)準(zhǔn)具的光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換并配合放大電路轉(zhuǎn)成16路F-P標(biāo)準(zhǔn)具電壓信號(hào)。將轉(zhuǎn)換后的16路傳感器信號(hào)和16路F-P標(biāo)準(zhǔn)具信號(hào)分成16組并由16路嵌入式解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行處理，最終將16路的解調(diào)結(jié)果通過(guò)以太網(wǎng)上傳至交換機(jī)，并最終上傳至上位機(jī)。其中，系統(tǒng)中的光源使用的是SOA激光器的增益放大器，通過(guò)在可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器（FFP）上施加掃描電壓實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)掃描。其掃描頻率為1 kHz，波長(zhǎng)變化范圍為80 nm，線寬為0.1 nm；F-P標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜范圍為0.4 nm，精細(xì)度14。其中抹去F-P標(biāo)準(zhǔn)具波長(zhǎng)為1529.568 nm和1529.958 nm兩個(gè)波長(zhǎng)處的峰，便于通過(guò)峰峰間距判定尋找標(biāo)記位置來(lái)進(jìn)行波長(zhǎng)擬合。嵌入式解調(diào)系統(tǒng)則是選用FPGA作為處理芯片，AD轉(zhuǎn)換芯片用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、計(jì)算以及數(shù)據(jù)傳輸［2-5］。系統(tǒng)解調(diào)框圖如圖1所示。

圖1 解調(diào)系統(tǒng)原理圖

在該解調(diào)系統(tǒng)中，需將測(cè)量的光信號(hào)通過(guò)光電二極管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并放大，并使用芯片AD對(duì)F-P標(biāo)準(zhǔn)具信號(hào)和FBG傳感器的波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)行采集，根據(jù)F-P濾波器的透射譜峰值波長(zhǎng)和掃描電壓的關(guān)系可計(jì)算得出FBG傳感器波長(zhǎng)值，數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給計(jì)算機(jī)。最后根據(jù)FBG傳感器的波長(zhǎng)變化量和已標(biāo)定的待測(cè)物理量的編碼關(guān)系計(jì)算出待測(cè)物理量的變化［6］。

2 解調(diào)原理及算法實(shí)現(xiàn)

2.1 對(duì)稱三角波

在常規(guī)解調(diào)方案中，三角波的掃描頻率決定了激光器的波長(zhǎng)掃描頻率，從而決定了系統(tǒng)的解調(diào)速率。在高速掃描系統(tǒng)中，每增加系統(tǒng)的掃描頻率都將降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，為了增加掃描系統(tǒng)的穩(wěn)定性并且提高三角波的利用率，本文設(shè)計(jì)基于對(duì)稱三角波的波長(zhǎng)掃描系統(tǒng)，即設(shè)計(jì)的三角波驅(qū)動(dòng)電壓在上升和下降期間完全對(duì)稱。在這種情況下，基于FPGA的數(shù)據(jù)處理模塊將分別在1 kHz三角波的上升和下降階段進(jìn)行采集處理，從而實(shí)現(xiàn)2 kHz的解調(diào)速率。由于上升和下降期間采集的對(duì)稱性，在三角波下降時(shí)采集的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行逆向排序，以保證和波長(zhǎng)掃描正相關(guān)。本文采用DDS芯片來(lái)生成對(duì)稱三角波，生成的三角波通過(guò)運(yùn)放進(jìn)行放大，采用程控放大器來(lái)改變放大倍數(shù)。整個(gè)電路由ARM（STM32F103）芯片控制。最終生成的三角波如圖2所示。

圖2 對(duì)稱三角波信號(hào)

圖2 主要顯示了掃描電壓信號(hào)和同步信號(hào)，其中鋸齒波信號(hào)周期為1 ms，對(duì)應(yīng)重復(fù)頻率為1 kHz，掃描電壓最大值為20 V左右，與之對(duì)應(yīng)的同步信號(hào)的周期也為1 ms。由于鋸齒波掃描上升和下降的對(duì)稱性，實(shí)際應(yīng)用中將分別產(chǎn)生兩組對(duì)稱的F-P標(biāo)準(zhǔn)具及傳感器信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)2 kHz的解調(diào)速率并增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 FPGA解調(diào)算法

波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)決定了光纖光柵波長(zhǎng)的解調(diào)算法，也決定了解調(diào)過(guò)程中所采集的數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的方式［7］。本項(xiàng)目主要研究的是基于F-P濾波器的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的波長(zhǎng)解調(diào)算法，對(duì)F-P標(biāo)準(zhǔn)具和FBG傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終可得到FBG傳感器的中心波長(zhǎng)變化量。數(shù)據(jù)處理過(guò)程主要包括對(duì)F-P標(biāo)準(zhǔn)具波形和傳感器波形的峰值檢測(cè)和波長(zhǎng)的計(jì)算。采樣得到一個(gè)完整的波峰波形時(shí)，需要采用合適的尋峰算法確定其峰值位置，尋峰算法是決定標(biāo)定與解調(diào)準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素。本系統(tǒng)采用基于FPGA的自適應(yīng)尋峰算法來(lái)進(jìn)行峰值定位。根據(jù)系統(tǒng)的情況，通過(guò)FPGA檢測(cè)同步信號(hào)成的上升沿和下降沿，然后觸發(fā)FPGA控制采集芯片進(jìn)行采集，F(xiàn)PGA將采集的信號(hào)進(jìn)行閾值截取并進(jìn)行濾波去噪聲處理，同時(shí)將濾波信號(hào)存入FIFO，存儲(chǔ)完一定數(shù)據(jù)之后FIFO再讀出數(shù)據(jù)，然后對(duì)讀出后的數(shù)據(jù)進(jìn)行峰值位置判定以及波長(zhǎng)擬合。最后將計(jì)算出的結(jié)果通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送至上位機(jī)并實(shí)時(shí)顯示。

為去除光譜區(qū)外的毛刺，需設(shè)置合適的閾值，大于閾值的信號(hào)保持不變，小于閾值的信號(hào)設(shè)為閾值大小。為了保證閾值設(shè)置的合理性，本文采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)閾值進(jìn)行判定，在上一次采集的結(jié)果中找出數(shù)據(jù)的最大值和最小值，并取其差值的五分之一左右作為截取閾值（若F-P標(biāo)準(zhǔn)具信號(hào)電壓為0.2～1.2 V，則閾值為0.4 V），去除低電壓噪聲干擾。同時(shí)，采集出的光譜也受到一定噪聲的影響，必須對(duì)采集到的原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。本系統(tǒng)選用Newton-Cotes公式進(jìn)行濾波降噪處理。

對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理后即可進(jìn)行求峰值運(yùn)算。首先通過(guò)峰值最大值比較法進(jìn)行粗略定位，然后再通過(guò)自適應(yīng)半峰法進(jìn)行精確定位。峰值計(jì)算判定方法如圖3所示。首先通過(guò)計(jì)算最大值75分位值和尋峰有效點(diǎn)平均值期望來(lái)得到標(biāo)定的閾值Yavr。再通過(guò)判斷標(biāo)定閾值Yavr的前后的點(diǎn)來(lái)得到Y(jié)avr前后處的位置，其中峰值左側(cè)和右側(cè)各一組。正常情況下，峰值左側(cè)和右側(cè)Yavr附近的位置的中間位置即為峰值位置，但是由于采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔性，圖3得到的位置依然比較粗糙。為了實(shí)現(xiàn)精確峰值定位，同時(shí)避免FPGA的浮點(diǎn)運(yùn)算，本文將橫坐標(biāo)擴(kuò)展128倍，再根據(jù)得到的兩組標(biāo)定閾值的前后位置，結(jié)合三角相似原理得到閾值處精確位置，如圖4和圖5所示。其中圖4的3 dB值對(duì)應(yīng)圖3的Yavr值，峰值左側(cè)和右側(cè)的兩組標(biāo)定閾值前后位置分別為xi，xi+1，xj，xj+1。

圖3 半峰檢測(cè)方案圖

圖4 三角原理求精確位置

圖5 相鄰兩點(diǎn)構(gòu)成的三角形

最終，采用四階拉格朗日插值法進(jìn)行插值擬合，并通過(guò)F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長(zhǎng)值對(duì)FBG傳感器的波長(zhǎng)進(jìn)行標(biāo)定［8-9］。

3 測(cè)試結(jié)果

為滿足解調(diào)速度的要求，本套系統(tǒng)有16塊FPGA開(kāi)發(fā)板同時(shí)參與解調(diào)計(jì)算并將獲取的結(jié)果經(jīng)以太網(wǎng)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，交換機(jī)通過(guò)分配IP地址將數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)將顯示不同通道下不同傳感器的結(jié)果。

3.1 波長(zhǎng)測(cè)量范圍測(cè)試

使用帶標(biāo)記波長(zhǎng)的F-P標(biāo)準(zhǔn)具直接連接至光源測(cè)量光源帶寬，進(jìn)而驗(yàn)證解調(diào)儀波長(zhǎng)測(cè)量范圍。圖6為一個(gè)FSR的F-P標(biāo)準(zhǔn)具譜，F(xiàn)-P標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜范圍為0.4 nm，精細(xì)度14。其中抹去F-P標(biāo)準(zhǔn)具波長(zhǎng)為1529.568 nm和1529.958 nm兩個(gè)波長(zhǎng)處的峰，便于通過(guò)峰峰間距判定尋找標(biāo)記位置來(lái)計(jì)算光源帶寬。圖6光譜覆蓋1510.330～1590.767 nm波段，因此可得解調(diào)儀帶寬大于80 nm。

圖6 F-P標(biāo)準(zhǔn)具譜

3.2 工作頻率測(cè)試

通過(guò)在一定時(shí)間內(nèi)保存數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證（例如，記錄時(shí)長(zhǎng)為1 s的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)）。工作頻率測(cè)試結(jié)果如表1所示。

3.3 波長(zhǎng)分辨力測(cè)試

使用穩(wěn)定性能高的參考波長(zhǎng)作為傳感器對(duì)解調(diào)儀的波長(zhǎng)分辨力進(jìn)行測(cè)試，選取通道1，5，9，13進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8、圖9、圖10所示。

從圖7、圖8、圖9、圖10的測(cè)試結(jié)果可得，該解調(diào)系統(tǒng)的波長(zhǎng)分辨力為5 pm。

4 結(jié)論

本文根據(jù)高速掃描光纖激光器，結(jié)合FPGA高速處理的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)了一種多通道高速光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)16通道、2 kHz解調(diào)速率的高速解調(diào)，并且具有較高的解調(diào)分辨力和測(cè)量準(zhǔn)確度。

表1 工作頻率測(cè)試結(jié)果

圖7 通道1傳感器測(cè)試結(jié)果

圖8 通道5傳感器測(cè)試結(jié)果

圖9 通道9傳感器測(cè)試結(jié)果

圖10 通道13傳感器測(cè)試結(jié)果