多通道光纖布喇格光柵傳感器同步解調系統

摘要：為了實(shí)現對整個(gè)艦艇結構狀態(tài)長(cháng)期實(shí)時(shí)的監控，構建了基于光纖布喇格光柵傳感器的監控系統，設計了系統總體硬件電路，給出了系統軟件工作流程和尋峰算法流程，并最終完成了對系統的功能驗證。經(jīng)驗證，系統實(shí)現了多通道同步實(shí)時(shí)校準的波長(cháng)解調功能，掃描頻率可達4 kHz，能夠快速響應監控狀態(tài)，可直接進(jìn)行工程應用。
關(guān)鍵詞：結構監控；光纖布喇格光柵；尋峰；實(shí)時(shí)校準；波長(cháng)解調

在軍事領(lǐng)域，為了防止災害事故的發(fā)生，對艦船、潛艇等這些重要軍事裝備必須要有結構完整性要求。對使用中的艦船、潛艇進(jìn)行連續、實(shí)時(shí)的監測，有效地監測和預測艦船、潛艇結構的損傷累積過(guò)程，評定和預測艦船、潛艇結構的安全性和可靠性，以及時(shí)地對結構進(jìn)行維修加固，保證其結構沒(méi)有明顯的損傷存在，使艦船和潛艇安全可靠。
傳統的點(diǎn)式電測電傳方式易受強電磁干擾信號不易遠距離傳輸，這些檢測手段難以全面反映艦艇結構的工作狀況，不能完成對整個(gè)結構狀態(tài)長(cháng)期的實(shí)時(shí)監控。而光纖布喇格光柵(Fiber Bragg Grating，FBG)傳感器作為一種新型的光纖傳感器，體積小、抗電磁干擾能力強、易于組建傳感網(wǎng)絡(luò )并且能夠實(shí)現傳感信息波長(cháng)編碼等許多獨特優(yōu)點(diǎn)，為艦艇結構健康監測提供了新的途徑。
鑒于此，為了實(shí)現對整個(gè)艦艇結構狀態(tài)長(cháng)期實(shí)時(shí)的監控，筆者構建了多通道光纖布喇格光柵傳感器同步解調系統。

1 系統總體設計
多通道FBG傳感器同步解調系統總體設計如圖1所示。系統由光路部分和信號處理部分組成，光路部分采用基于可調諧F-P濾波器的實(shí)時(shí)校準方案，主要由寬帶光源、可調諧F-P濾波器、3db光纖耦合器、光開(kāi)關(guān)陣列(1×16)、FBG傳感陣列、帶標記熱穩定性標準具模塊和光電探測器等組成，以實(shí)現將外界溫度和應變等調制信息轉換成電信號；信號處理部分用FPGA+DSP架構協(xié)同處理，控制光開(kāi)關(guān)陣列進(jìn)行傳感光路選擇和D／A輸出三角波或鋸齒波驅動(dòng)可調諧F-P濾波器，從而實(shí)現對光路的協(xié)同操作。然后啟動(dòng)六路ADC，前五路采集光電探測器轉換的信號，最后一路采集調理后的三角波或鋸齒波作為觸發(fā)信號，觸發(fā)對其他五路數據的并行尋峰操作，通過(guò)查表將標準具透射信號的各峰值對應的波長(cháng)值確定，再將被測FBG傳感器反射信號的峰值位置和標準具的峰值陣列位置聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)線(xiàn)性插值運算，能夠解調出FBG傳感器的中心波長(cháng)，最后通過(guò)高速網(wǎng)口將波長(cháng)數據傳送到上位機，從而實(shí)現全天候、實(shí)時(shí)監控的功能要求。