基于DSP的光纖光柵解調系統設計

引言

　　光纖布拉格光柵傳感器(FBGS)是用光纖布拉格光柵(FBG)作敏感元件的功能型光纖傳感器，可用于直接檢測溫度和應變，以及與溫度和應變有關(guān)的其他許多物理量和化學(xué)量的間接測量。在光纖布拉格光柵傳感器的應用研究中，波長(cháng)解調是一個(gè)重要的方面。目前限制光纖光柵傳感器應用的最主要障礙是傳感信號的解調。波長(cháng)解調方法主要有光譜儀、斜邊濾波法、可調諧濾波法、干涉掃描法、匹配光柵法等。但是，在這幾種方法中，光譜儀成本較高，斜邊濾波法的分辨率較小，干涉儀沒(méi)有好的重復性，而可調諧濾波器的掃描周期較長(cháng)。因此，近年來(lái)，匹配光柵法越來(lái)越受到人們的青睞。為此，文中介紹了一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)且由兩個(gè)并聯(lián)的匹配光柵解調來(lái)檢測光纖光柵傳感器的系統設計方法。

　　1 雙光柵匹配原理

　　雙光柵匹配系統示意圖如圖1所示。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)3 dB耦合器進(jìn)入傳感FBG。再由FBG反射后進(jìn)人兩路匹配光柵，對應的兩個(gè)光電探測器得到與其對應波長(cháng)有關(guān)的光信號，然后由光電探測器將其轉換為電信號并進(jìn)入信號采集處理電路提取有用信號，最后由后續信號處理系統實(shí)現數據的采集與處理。

　　圖1中，PD1和PD2為光電探測器，光電探測器所探測到的光功率P為：

　　其中I1(λ)和I2(λ)分別為傳感光柵和匹配光柵的反射功率譜密度函數。兩者的反射功率譜函數均可用高斯函數近似表示：

　　式中，I0為反射譜強度峰值;λs為反射譜強度為I0時(shí)對應的波長(cháng)值;△λs為反射譜的3 dB帶寬。一般情況下，光電探測器所探測到的光功率的大小與傳感光柵和匹配光柵的反射譜的卷積大小成正比。傳感光柵的中心波長(cháng)λc與匹配光柵的中心波長(cháng)λp的差值越小，對應的卷積值越大。由于△λ大于閾值△λmin時(shí)，卷積值過(guò)小可能無(wú)法繼續解調，因此，解調范圍會(huì )受到限制。

　　普通的匹配法只有一個(gè)傳感光柵一個(gè)匹配光柵，對應只有一個(gè)△λ。當該△λ≥△λmin時(shí)，解調系統將無(wú)法繼續解調。對于雙光柵匹配解調系統，傳感光柵與兩個(gè)并聯(lián)的匹配光柵的中心波長(cháng)近似相等，但略有差別。三者關(guān)系為：λp1λcλp2，λp1和λp2分別表示兩個(gè)匹配光柵的中心波長(cháng)。λc是傳感光柵的中心波長(cháng)。傳感光柵在外界應力作用下時(shí)，△λ1=?λc-λp1?，△λ2=?λc-λp2?;當λc增大時(shí)△λ1增大，△λ2減小;當λc減小時(shí)，△λ1減小，△λ2增大。圖2所示為△λ1、△λ2和λc三者的關(guān)系圖，其中△λmin是光電探測器可以探測到的最小值。因此，根據圖2可知，在理論上，雙光柵匹配解調系統總是至少有一個(gè)光電探測器可以探測到可用光信號。

　　2 基于DSP的解調系統設計

　　2.1 系統硬件設計

　　匹配光柵反射回來(lái)的光入射到光電探測器(PD)上可轉換為電信號。光電轉換部分和信號采集部分主要完成對PD輸出電信號的采集，采集到的信號再轉化為數字信號由DSP進(jìn)行處理。DSP主要完成數據的插值運算和尋峰處理，并根據處理結果反饋給DSP，由DSP依照反饋信號控制步進(jìn)電機完成下一步的解調工作，其系統硬件框圖如圖3所示。

　　為了實(shí)現高精度的數據采樣，本系統選用美國AD公司推出的一種12位帶并行微機接口的逐次逼近型模/數轉換芯片AD1*來(lái)實(shí)現系統的模數轉換，AD1*內部自帶采樣保持器(SHA)、10V基準電壓源、時(shí)鐘源以及可和微處理器總線(xiàn)直接接口的暫存/三態(tài)輸出緩沖器。

　　本系統采用TMS320VC5402作為主控芯片。這種定點(diǎn)DSP芯片可實(shí)現光纖光柵傳感信號的處理、步進(jìn)電機的控制和顯示等。該芯片具有強大的數據運算和處理功能，利用其RPT和MAC指令可以在單指令周期內實(shí)現乘累加運算。其靈活的循環(huán)緩沖區和高效的C語(yǔ)言可使TMS320VC5402方便地實(shí)現數據的循環(huán)尋址與卷積運算，從而實(shí)現高速度解調。