基于FPGA的光纖光柵解調系統的研究

精確檢測由各種外界參量變化引起的Bragg波長(cháng)微小偏移，并簡(jiǎn)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、穩定、操作簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高的信號解調系統是FBG傳感器設計的關(guān)鍵。
由于光纖光柵傳感器的關(guān)鍵技術(shù)是解調傳感器反射波長(cháng)的編碼信號，常用解調方法有：1)直接法，即光譜儀檢測法；2)濾波法，包括匹配FBG可調濾波檢測法邊緣濾波法可調諧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)可調光源解調法，包括鎖模法可調窄帶光源檢測法：5)光柵色散解調法。其中光譜儀檢測法中的光譜儀體積龐大，結構復雜，攜帶不便，使用時(shí)需反復校準，且高精度光譜儀價(jià)格昂貴，基于干涉法建立的信號解調系統最大缺點(diǎn)是掃描速度慢，并且價(jià)格偏高。上述解調方法共同的缺點(diǎn)是分辨率不高，成本高。而匹配解詞法具有分辨率較高、解調速度快、重復性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，應用廣泛。目前國內外已研究出高精度、高分辨率的光纖光柵傳感器解調儀，但價(jià)格昂貴，很難在實(shí)際工程中得到廣泛應用。為了使光纖傳感器應用廣泛，首先就是降低成本，又因為FPGA的時(shí)鐘頻率高，內部時(shí)延小，全部控制邏輯由硬件完成，速度快效率高，適于大數據量的高速傳輸控制；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)際解調電路中。因此，開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于FPGA的光纖光柵解調系統。該系統采用雙匹配光柵為調諧元件，具有較高的分辨率和測量精度，并能夠實(shí)時(shí)、準確地實(shí)現測量。

1 基于雙匹配光纖光柵解調技術(shù)的解調系統
1．1 系統裝置
本系統采用雙匹配光纖光柵并聯(lián)解調法解調光纖光柵傳感信息，其工作原理如圖1所示。寬帶光源(BBS)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)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(mǎn)足Bragg條件的光才被反射回來(lái)，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，到達并聯(lián)的2個(gè)匹配光柵FBG2和FBG3。通過(guò)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(lái)的光，把光信號轉換成微弱的電信號，再經(jīng)過(guò)信號調理電路和信號采集電路輸入給FPGA處理。FPGA將采集的數據一方面進(jìn)行信號處理，另一方面通過(guò)顯示屏顯示所測的數據結果。

1．2 工作原理
圖1所示的系統中，FBG僅對滿(mǎn)足的單一波長(cháng)光進(jìn)行反射。只有后向反射光才能在光電探測器上產(chǎn)生強輸出。匹配光纖光柵FBG2和FBG3是FPGA通過(guò)2個(gè)壓電陶瓷驅動(dòng)器來(lái)調諧的。當并聯(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(cháng)相同，此時(shí)沒(méi)有光透過(guò)匹配光纖光柵，光全部被反射，因此光電探測器的輸出信號幅值最大，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(cháng)不再變化。當傳感光纖光柵FBG1因外界物理量溫度或應變等，使中心波長(cháng)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(cháng)不再匹配，此時(shí)光電探測器某一路輸出的信號幅值下降，而另一路輸出的信號幅值可能下降也可能上升。芯片通過(guò)周期性變化的鋸齒波電壓信號來(lái)驅動(dòng)2個(gè)壓電陶瓷驅動(dòng)器，使2個(gè)匹配光纖光柵的中心波長(cháng)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(cháng)變化，直至使光電探測的2路輸出幅值達到最大為止。在原理上增強了系統的可靠性，同時(shí)克服了匹配濾波法信號檢測中的雙值問(wèn)題。記錄此時(shí)輸出的電壓大小，根據輸出電壓與波長(cháng)漂移的擬合曲線(xiàn)，進(jìn)行數據處理，最后根據傳感器外界物理量與波長(cháng)的編碼關(guān)系式即可計算出待測物理量溫度、壓強或應變等的大小達到信號解調的目的。
當一束光進(jìn)入光纖布拉格光柵后，對滿(mǎn)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(cháng)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，從而導致光纖光柵反射波的中心波長(cháng)發(fā)生漂移。對式(1)兩邊的溫度求導，可得：
令，為光纖的熱光系數，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，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(jiǎn)寫(xiě)為：

由式(4)可知，dλg與dT成線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)測量dλg就可以確定溫度T。

2 解調系統的硬件設計
2．1 光源和3dB耦合器的選擇
光源的特性決定光纖系統是否達到預計的指標。作為光源的發(fā)光器件應該滿(mǎn)足以下條件：
1)體積小，發(fā)光面積應與光纖芯徑的尺寸相匹配，而且光源和光纖之間應有較高的耦合效率；
2)發(fā)射光波長(cháng)應適合光纖兩個(gè)低損耗波段，即短波長(cháng)0．8～0．9μm和長(cháng)波長(cháng)1．2～1．6μm；
3)直接進(jìn)行光強度調制，且與調制器的連接方便；
4)可靠性高，工作壽命長(cháng)，穩定性高，互換性好。