多通道光纖布喇格光柵傳感器同步解調系統

薛雙喜，馬 艷，王向輝

（1.西北工業大學 航海學院，陜西 西安 710072；2.92854部隊通信雷達聲納修理廠 廣東 湛江 524016）

在軍事領域，為了防止災害事故的發生，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、潛艇進行連續、實時的監測[1-2]，有效地監測和預測艦船、潛艇結構的損傷累積過程，評定和預測艦船、潛艇結構的安全性和可靠性，以及時地對結構進行維修加固，保證其結構沒有明顯的損傷存在，使艦船和潛艇安全可靠[3]。

傳統的點式電測電傳方式[4]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，不能完成對整個結構狀態長期的實時監控。而光纖布喇格光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）傳感器[5]作為一種新型的光纖傳感器，體積小、抗電磁干擾能力強、易于組建傳感網絡并且能夠實現傳感信息波長編碼[6]等許多獨特優點，為艦艇結構健康監測提供了新的途徑[7]。

鑒于此，為了實現對整個艦艇結構狀態長期實時的監控，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濾波器的實時校準[8]方案，主要由寬帶光源、可調諧F-P濾波器、3db光纖耦合器、光開關陣列（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架構協同處理，控制光開關陣列進行傳感光路選擇和D/A輸出三角波或鋸齒波驅動可調諧F-P濾波器，從而實現對光路的協同操作。然后啟動六路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信號，觸發對其他五路數據的并行尋峰操作，通過查表將標準具透射信號的各峰值對應的波長值確定，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系起來，通過線性插值運算，能夠解調出FBG傳感器的中心波長，最后通過高速網口將波長數據傳送到上位機，從而實現全天候、實時監控的功能要求。

2 系統軟件設計

系統軟件設計流程如圖2所示。系統上電以后要進行必要的復位操作，對DSP進行復位并為系統提供工作參考起始點；復位完成以后對系統的部分模塊進行必要的初始化操作，然后通過網口芯片和上位機根據TCP/IP協議建立連接，等待接收上位機下發的命令和工作參數；接著系統根據命令和參數作光開光控制等操作；最后進行的是系統的核心解調算法相關操作和數據上傳工作。高精度地測量光纖光柵反射波長的位移量是光柵解調的關鍵，對A/D采樣數據的高效處理是高精度測量光纖光柵反射波長的位移量的關鍵，尋峰算法[9]更是對采樣數據進行高效處理的關鍵，系統自動尋峰算法如圖3所示。

圖1 系統總體設計結構圖Fig.1 Structure diagram of the Synchronous Demodulation System

圖2 系統軟件流程圖Fig.2 Flow chart of the software design

圖3 自動尋峰算法流程圖Fig.3 Flow chart of the automatic peak-searching algorithm

如圖3所示，先預設一個初始谷值和初始峰值（因為是12位ADC且最小信號對應為數字值為0，最大信號對應數字值為4 095，所以設計中將谷值設為4 095，將峰值設為0），采用比較法對實時采集的數據依次進行比較，小于預設谷值則暫存為谷值并記錄其位置，大于預設峰值則暫存為峰值并記錄其位置，當同時滿足3個條件時，即峰值位置大于谷值位置，且峰值高于谷值達到預設某個閾值，并且峰值高于當前掃描信號達到同一個閾值，即可判定該峰值為真峰值，將峰值位置記錄到峰值位置數組中去，將谷值和峰值大小重置為預設值，繼續讀取數組，重復以上步驟，直到三角波上升段AD采集完畢。

3 系統功能驗證

在實驗室環境中，對系統進行調試，圖4為借助DSP開發環境CCS3.3而捕獲的標準具透射信號數字波形，可見它是帶標記點的峰值序列，圖5為某一路（總64路）光纖布喇格光柵陣列反射信號數字波形，有8個峰值即該路陣列有8個FBG傳感器，圖4和5中縱坐標為信號數字幅值，橫坐標為采樣點位置。這說明，系統能夠工作，可進行功能驗證。

圖4 標準具透射信號數字波形Fig.4 Transmission spectrogram of regulator with marker

圖5 八節點FBG傳感器陣列反射信號數字波形Fig.5 Reflex spectrogram of FBG sensors array with eight nodes

在實驗室中，當系統工作穩定后，通過電熱吹風對中心波長為1 527.2 nm的光纖布喇格光柵傳感器進行加溫，工作一段時間后將系統上傳的數據保存為文檔，用Matlab讀取該文件并畫出圖形，如圖6所示。由圖可見，隨著溫度的升高，傳感器的中心波長偏離的越大，其變化趨勢與溫度的變化趨勢一致，證明系統實現了測溫功能。測應變的實驗類似，這樣整個系統設計完成。

圖6 FBG傳感器中心波長隨溫度變化趨勢Fig.6 Trendline of FBG sensor center wavelength with temperature

4 結 論

經實驗驗證，系統實現設計功能，目前整個系統運行狀況良好，正處于整體性能測試階段。系統實時性高，體積小，便攜性強，具有很高的實用價值，可應用于多點的結構安全監測、多區域溫度報警等實時傳感領域的工程實踐。

[1]Chris B，Toni P，Peter C，et al.Structural monitoring of composite marine piles using fiber optic sensors[J].Proceedings of SPIE，2001（4330）:487-497.

[2]劉德明，孫琪真.分布式光纖傳感技術及其應用[J].激光與光電子學進展，2009（11）:29-33.

LIU De-ming，SUN Qi-zhen.Distributed optical fiber sensing technology and its applications[J].Laser&Optoelectronics Progress，2009（11）:29-33.

[3]江俊峰.用于結構健康監測的光纖傳感解調系統的理論與方法研究[D].天津：天津大學精密儀器與光電子工程學院，2004.

[4]韓憬.基于光纖Bragg光柵的大量程預應力監測系統研究[D].天津：天津大學，2009.

[5]Edgar A M，Cornelia K，Allan P，et al.Miniature Fiber Bragg Grating sensor interrogator （FBG-Transceiver） system for use in aerospace and automotive health monitoring systems[J].Proc.of SPIE，2007，6758（67580B）:1-10.

[6]陳熙源，王曦嶠.光纖Bragg光柵傳感器在智能船舶結構中

的應用[J].船舶工程，2006，28（2）:28-32.

CHEN Xi-yuan，WANG Xi-qiao.Application of fiber Bragg grating sensors on smart ship structure[J].Ship Engineering，2006，28（2）:28-32.

[7]王為.光纖光柵在船舶結構健康監測中的關鍵技術研究[D].天津：天津大學精密儀器與光電子工程學院，2010.

[8]陳亮，黃俊斌，顧宏燦，等.一種實時校準的光纖Bragg光柵傳感器解調系統[J].傳感器與微系統，2009，28（7）:89-91.

CHEN Liang，HUANG Jun-bin，GU Hong-can，et al.Realtime calibrating demodulation system of fiber Bragg grating sensor[J].Transducer and Microsystem Technologies，2009，28 （7）:89-91.

[9]尚秋峰，林炳花.光纖Bragg光柵傳感系統典型尋峰算法的比較分析[J].電測與儀表，2010，47（2）:1-4.

SHANG Qiu-feng，LIN Bing-hua.The comparison and analysis of typical peak-detection algorithms in Fiber Bragg Grating sensor system[J]. Electricai Measurement &Instrumentation，2010，47（2）:1-4.