基于MG-Y激光器的光纖法珀傳感器信號處理系統(tǒng)

高凱波,李佳明,顏正強(qiáng),朱旭峰,袁世輝,劉盾盾,薛 原,賈平崗

(1.中北大學(xué),省部共建動態(tài)測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051; 2.中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院高空模擬技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川綿陽 621000)

0 引言

光纖法布里-珀羅(Fabry-Perot)傳感器具有結(jié)構(gòu)精巧、精度高、抗電磁干擾和高溫等特種環(huán)境的優(yōu)點(diǎn),是最常用的一種光纖傳感器[1]。目前,傳統(tǒng)的法珀傳感器解調(diào)方案多采用光譜儀等比較笨重的設(shè)備,不具備可攜帶的便捷性,所以,研制一款小型化的光纖法珀傳感器信號處理系統(tǒng),對光纖法珀傳感器解調(diào)領(lǐng)域具有重要的意義。MG-Y可調(diào)諧激光器由于具有波長切換速度快、調(diào)諧范圍廣且可作為掃描光源的特點(diǎn),能更好地實(shí)現(xiàn)腔長算法的解調(diào)[2]。系統(tǒng)使用MG-Y可調(diào)諧激光器作為掃描光源,采用傅里葉頻率測量法和最小二乘擬合法的結(jié)合算法作為法珀傳感器的解調(diào)方法,可以完成對法珀傳感器腔長的解調(diào)運(yùn)算。

1 解調(diào)算法原理介紹

1.1 多光束干涉原理

法珀傳感器諧振腔基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,將一束波長為λ0的單色光以一定夾角θ射入這對光學(xué)界面,透射光B1C1在法珀腔兩個(gè)端面經(jīng)過多次反射與透射,入射光一側(cè)的所有反射光線BnAn(n=1,2…)形成了一組平行且任意兩束相鄰光之間光程差都相同的光,這些光束相干疊加形成多光束干涉。此時(shí),反射端面上產(chǎn)生的相位為

圖1 法珀諧振腔基本結(jié)構(gòu)原理圖

(1)

式中:L為傳感器的腔長;n為法珀腔玻璃端面與空氣介質(zhì)的折射率。

由于本文采用的法珀腔端面為玻璃材質(zhì),反射率約為0.04,所以法珀腔輸出是近似為雙光束干涉的正弦信號,將入射光強(qiáng)看作1,空氣腔總反射光強(qiáng)Ir可表示為

Ir=(R+RT2)-2RTcosφ

(2)

式中:R為法珀腔玻璃端面的反射率;T為法珀腔玻璃端面的透射率。

1.2 傅里葉頻率測量-最小二乘擬合法原理

使用傅里葉頻率測量法完成對法珀傳感器初始腔長的解調(diào),基本原理如下:

將式(1)取微分,即可得到波長變化與相位變化的關(guān)系,當(dāng)相位差dφ=2π時(shí),根據(jù)式(3)即可求得F-P腔的腔長[3]。

(3)

式中Δλ為干涉條紋相鄰峰峰值間的波長間隔。

對反射光譜進(jìn)行波長域傅里葉變換后可以得到光譜的頻譜圖,根據(jù)式(4)即可得到相鄰條紋的波長間隔。

(4)

式中:fs為AD平均采樣頻率;Q為校正因子,即相鄰采樣點(diǎn)之間的波長間隔;f為頻譜的中心波長。

將式(3)與式(4)聯(lián)立,即可以得到法珀傳感器初始腔長值,如式(5)所示[4]:

(5)

傅里葉頻率測量法有著解調(diào)運(yùn)算速度快、可以對腔長絕對值進(jìn)行測量等優(yōu)點(diǎn)。但是由于f只能為整數(shù),所以解調(diào)結(jié)果會有比較大的誤差[5]。因此采用最小二乘擬合算法對結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

最小二乘算法是局部搜索算法。根據(jù)傅里葉頻率測量法得到的初始腔長值L0,按照步長0.4 μm,在±10 μm的范圍內(nèi)記下所有的待檢測腔長值。激光器在一個(gè)掃描周期的波長值為λ1,λ2,…,λn,經(jīng)過法珀傳感器調(diào)制后的光強(qiáng)度值為I1,I2,…,In。將所有的待檢測腔長值Lt求誤差平方和,并比較誤差平方和的最小值,這個(gè)最小值對應(yīng)的腔長值Lt為最接近真實(shí)腔長的值,最小二乘擬合公式如式(6)所示:

(6)

式中:M=R+RT2;N=-2RT;n為激光器掃描一個(gè)周期所有波長數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)[6]。

利用最小二乘擬合法對傅里葉頻率測量法得到的初始模糊腔長值進(jìn)行擬合運(yùn)算便可以獲得精準(zhǔn)的腔長值。

2 信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的法珀傳感器信號處理系統(tǒng)由MG-Y可調(diào)諧激光器、1分2光環(huán)形器、光電探測器,AD7606采集模塊,RS485串口傳輸模塊,FPGA核心板與搭載LabVIEW軟件的上位機(jī)組成。系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

首先FPGA驅(qū)動MG-Y可調(diào)諧激光器工作,進(jìn)行掃頻操作,激光器發(fā)出的光束依次經(jīng)過環(huán)形器、法珀傳感器、光電探測器后,由AD7606采集模塊采集。

隨后利用RS485串口傳輸模塊將光譜數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。最后利用上位機(jī)軟件LabVIEW實(shí)現(xiàn)算法對法珀傳感器腔長的解調(diào)。

2.1 激光器掃描程序設(shè)計(jì)

MG-Y激光器是一種電子調(diào)諧器件[7],主要包括左右光柵反射區(qū)、多模干涉耦合器(MMI)、相位區(qū)、增益區(qū)和光放大器,其中MG-Y激光器的增益區(qū)與半導(dǎo)體光放大器(SOA)這兩個(gè)區(qū)主要控制激光器輸出光功率的大小,激光器輸出特定波長的窄帶激光是由左右光柵反射區(qū)和相位區(qū)的輸入電流進(jìn)行的聯(lián)合調(diào)節(jié)。

MG-Y激光器波長調(diào)諧原理如圖3所示,激光器左右光柵反射區(qū)由于其柵格的差異性,光束經(jīng)過左右光柵區(qū)會形成兩種不同間隔的梳狀反射譜,基于游標(biāo)卡尺效應(yīng),兩光束的反射率耦合疊加后,在某一點(diǎn)便會輸出特定波長的光束。通過調(diào)節(jié)改變左右光柵區(qū)調(diào)諧電流的大小,調(diào)節(jié)控制重合峰的位置,便可實(shí)現(xiàn)C波段范圍內(nèi)的波長調(diào)節(jié)[8]。對相位區(qū)的電流控制可以實(shí)現(xiàn)波長小范圍的調(diào)整,這3路電流的共同作用,可以使得激光器輸出在C波段內(nèi)不同波長的激光。

圖3 MG-Y 激光器波長調(diào)諧原理

MG-Y激光器由現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)利用SPI總線協(xié)議通過對MAX5113數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行控制,進(jìn)而對激光器的輸出波長與光強(qiáng)進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)

FPGA控制激光器主要原理是通過時(shí)序控制,短時(shí)間改變3路電流值,實(shí)現(xiàn)激光器波長的切換,并在3路電流全部切換完成并計(jì)數(shù)一段時(shí)間保持穩(wěn)定后輸出激光器波長切換穩(wěn)定標(biāo)志信號。增益區(qū)設(shè)定某一電流控制激光輸出光強(qiáng)的大小。通過波長標(biāo)定獲取MG-Y激光器在C波段的“電流-波長”查找表[9]。依據(jù)波長線性增長的順序設(shè)計(jì)FPGA掃頻程序,最終實(shí)現(xiàn)激光器在C波段的線性掃描[10]。同時(shí)發(fā)送每束激光發(fā)射穩(wěn)定后的標(biāo)志信號與每個(gè)掃描周期開始標(biāo)志信號,實(shí)現(xiàn)激光器與光譜采集系統(tǒng)的聯(lián)合控制。

2.2 光纖法珀傳感器光譜采集系統(tǒng)

光譜采集系統(tǒng)主要由FPGA核心板、AD7606采集模塊與RS485串口發(fā)送模塊共同組成[11]。光譜采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 光譜采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

采集模塊在接收到激光器掃描周期開始信號后進(jìn)入采樣狀態(tài),并賦予幀頭信號。隨后在接收到激光器波長切換穩(wěn)定標(biāo)志信號后開啟觸發(fā)采樣,對每束激光的信號進(jìn)行多次采樣,并將噪聲信號去除后的所有信號進(jìn)行平均,使得每束特定波長值的激光都被采集且唯一輸出。最后將激光器掃描周期結(jié)束信號編寫幀尾,并將幀頭幀尾信號與穩(wěn)定采集的掃描周期內(nèi)的每束激光的信號一起打包。由于上位機(jī)只是被動接收數(shù)據(jù),所以本文采用RS485串口進(jìn)行發(fā)送,對串口發(fā)送模塊的控制是通過狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方式將數(shù)據(jù)分為高低8位。在發(fā)送低8位結(jié)束后,切換下一周期的激光信號繼續(xù)進(jìn)行掃描。

2.3 LabVIEW上位機(jī)算法設(shè)計(jì)

本文腔長解調(diào)算法的實(shí)現(xiàn)與顯示是由LabVIEW軟件編寫的上位機(jī)完成。LabVIEW上位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6 上位機(jī)工作流程圖

上位機(jī)軟件利用順序結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路,通過將接收到的8位串口數(shù)據(jù)按照幀頭檢測[12]、隊(duì)列進(jìn)出、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)合并等數(shù)據(jù)處理,完成對每個(gè)周期光譜信息的數(shù)據(jù)處理[13],利用LabVIEW上位機(jī)自帶的傅里葉頻譜分析控件進(jìn)行設(shè)計(jì),與法珀傳感器傅里葉頻率測量解調(diào)法進(jìn)行結(jié)合,完成對法珀傳感器初始腔長的獲取;利用上位機(jī)擬合控件與法珀傳感器雙光束干涉公式進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì),完成對法珀傳感器最終精準(zhǔn)腔長的獲取[14-15],最后,利用上位機(jī)顯示控件實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)光譜和解調(diào)腔長的實(shí)時(shí)顯示。

3 實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)采用可調(diào)諧激光器代替光譜儀實(shí)現(xiàn)波長的掃描,為了驗(yàn)證信號處理系統(tǒng)對法珀傳感器腔長解調(diào)的準(zhǔn)確性,搭建如圖2所示的信號處理系統(tǒng)。將腔長為96.207 μm的傳感器分別接入光譜分析儀與法珀傳感器信號處理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比,圖7為光譜分析儀得到的光譜圖與信號處理系統(tǒng)的光譜圖。

圖7 光譜儀光譜圖與信號處理系統(tǒng)光譜圖

對比兩光譜圖可知,二者采集的光譜圖極值位置一致,驗(yàn)證了光譜采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,由于系統(tǒng)使用激光光源,因此采集得到的反射光譜強(qiáng)度對比光譜儀采集到的光譜強(qiáng)度有所提高。

將不同腔長的傳感器分別接入光譜分析儀與法珀傳感器信號處理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比,光譜儀解調(diào)腔長與系統(tǒng)解調(diào)腔長的對比圖如圖8所示。表明本文設(shè)計(jì)的基于MG-Y激光器的法珀傳感器處理系統(tǒng)解調(diào)得到的結(jié)果與光纖解調(diào)儀結(jié)果一致。

圖8 光譜儀解調(diào)腔長與系統(tǒng)解調(diào)腔長對比圖

將固定腔長的傳感器接入本文所設(shè)計(jì)的法珀傳感器信號處理系統(tǒng)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)解調(diào),解調(diào)結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出,信號處理系統(tǒng)解調(diào)的腔長波動為14 nm,解調(diào)標(biāo)準(zhǔn)差為5 nm,證明系統(tǒng)解調(diào)腔長的一致性較好。表明該信號處理系統(tǒng)具有良好的工程意義。

圖9 固定腔長傳感器解調(diào)結(jié)果

4 結(jié)束語

本文通過對激光器掃描程序的設(shè)計(jì)、信號處理系統(tǒng)的時(shí)序設(shè)計(jì)、LabVIEW上位機(jī)的算法與顯示程序的設(shè)計(jì)搭建了基于可調(diào)諧激光器的光纖法珀傳感器信號處理系統(tǒng),利用MG-Y可調(diào)諧激光器作為掃描光源,避免了傳統(tǒng)法珀傳感器解調(diào)時(shí)光譜儀的使用,可以實(shí)現(xiàn)光纖法珀傳感器信號處理系統(tǒng)的小型化。選用AD7606作為模數(shù)采集模塊也為后續(xù)的多通道法珀傳感器的解調(diào)設(shè)計(jì)提供了便捷,方便后續(xù)的開發(fā)。由于本文采用了LabVIEW上位機(jī)軟件對初始腔長進(jìn)行擬合處理,速度較慢,下一步可通過DSP電路完成最小二乘擬合算法,通過數(shù)字顯示屏輸出解調(diào)結(jié)果,從而實(shí)現(xiàn)光纖法珀傳感器信號處理系統(tǒng)的快速運(yùn)算和儀器小型化。