基于AWG的多通道光纖光柵傳感解調系統

李鴻強，孫　杰，張　誠，陳雪龍，崔貝貝，崔佃銀，袁丹陽（天津工業大學電子與信息工程學院，天津　300387）

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基于AWG的多通道光纖光柵傳感解調系統

李鴻強，孫杰，張誠，陳雪龍，崔貝貝，崔佃銀，袁丹陽
（天津工業大學電子與信息工程學院，天津300387）

摘要：設計開發了一種基于陳列波導光柵（AWG）的多通道光纖光柵解調系統.該系統由寬帶光源、隔離器、耦合器、光環路器、光纖布拉格光柵（FBG）傳感器、AWG、光電探測電路、調理放大電路、低通濾波電路和ARM控制電路等組成，采用光強法解調技術，對FBG傳感器的溫度進行精確測量.實驗結果表明：該解調系統測量誤差不大于±0.1℃，FBG中心波長解調范圍為1 545.30～1 560.50 nm，可實現對4通道的32個FBG傳感器同時測量.

關鍵詞：多通道；光纖布拉格光柵；陣列波導光柵；ARM；解調系統

光纖布拉格光柵（fiber Bragg grating，FBG）傳感器是一種新型的光無源器件，其具有結構簡單、低損耗、可靠性高、抗電磁干擾、耐高溫等優點[1-2]，廣泛應用于應變、溫度、壓力、磁場、加速度等物理量的測量[3-6]. FBG作為一種波長調制型的光無源傳感器，其被測物理量的信息反映在FBG中心波長的偏移量上，通過測量FBG中心波長的變化量，即可實現對被測物理量的測量，因此，FBG波長解調技術是FBG傳感器應用的關鍵技術.近些年，國內外在FBG傳感解調方面進行了大量的研究，目前已見報導的FBG傳感解調技術有匹配光纖光柵法、可調濾波檢測法[7]、非平衡M-Z干涉儀法[8]、可調諧F-P濾波檢測法[9]、可調窄帶光源檢測法[10]等.其中，可調諧F-P濾波器檢測法為最常用的光纖光柵解調方法，該方法具有較高的分辨率與測量范圍，可同時計算出16通道、320個光纖光柵溫度傳感器的溫度值[11]，但隨著掃描速率的提高，其解調精度與波長掃描范圍都會降低[12].其他方法因結構復雜、調整困難、測量準確度不高而不利于實現或成本太高等，在應用方面受到了限制.而陣列波導光柵（arrayed waveguide grating，AWG）是一種角色散型無源器件，與其它波分復用器件相比，AWG具有設計靈活、插入損耗低、信道串擾小、濾波性能好、長期穩定、易與光纖耦合等優點，已廣泛應用于密集波分復用（dense wavelength division multiplexing，DWDM）光通信系統中，在傳感解調方面也得到了廣泛應用[13].

本文從FBG的光學特性和AWG的解調原理出發，設計出一種基于AWG的多通道光纖光柵解調系統，以ARM處理器為核心控制器件，結合AWG波分復用技術和光強法解調算法，實現了對多個FBG傳感器溫度的實時、準確監測.

1　AWG波長解調原理及光強法解調算法

1.1 AWG波長解調原理

AWG波長解調系統基本組成框圖如圖1所示. 圖1中，寬帶光源輸出的光經隔離器和耦合器后進入FBG傳感器，FBG傳感器的反射光再經耦合器進入到AWG輸入端.根據AWG波長解調原理，FBG傳感器的反射光由AWG輸出通道中中心波長與FBG中心波長相鄰的兩通道輸出，輸出光信號經光電轉換、放大濾波、A/D轉換和處理單元的波長解調，實現對FBG波長偏移量的測量，即完成對被測物理量的測量[14].

圖1　AWG波長解調系統基本組成框圖Fig.1 Basic composition block diagram of AWG wavelength demodulation system

以單個FBG為例，AWG波長解調原理如圖2所示.

圖2中，設其中心波長為λFBGm，Ch（i）、Ch（i+1）（0≤i≤M，M為AWG的最大通道數）為對應中心波長λFBGm的AWG中2個相鄰的輸出通道透射譜，AWG通道i 和AWG通道i+1對應的中心波長分別為λi和λi+1，2個通道的輸出光強Pi和Pi+1分別為AWG通道i和AWG通道i+1的透射譜分別與FBG反射譜的重疊積分，如圖2（a）所示；在AWG溫度不變和FBG不受應力的情況下，當FBG的溫度發生變化時，FBG反射光的中心波長會發生漂移，從而FBG的反射譜與AWG相鄰雙通道透射譜疊加面積發生變化，即AWG相鄰兩通道的輸出光強發生變化.假設AWG的透射譜和FBG的反射譜均為高斯型，當溫度下降時，FBG傳感器中心波長向左移，則AWG通道i的輸出光強增強，AWG通道i+1的輸出光強減弱，如圖2（b）所示；當溫度升高時，FBG傳感器中心波長向右移，則AWG通道i的輸出光強減弱，AWG通道i+1的輸出光強增強，如圖2（c）所示.最后通過檢測AWG相鄰2通道的輸出光強變化，根據實驗得到的光強比對數與波長的關系即可解調出FBG傳感器的波長偏移量.

圖2　AWG波長解調原理圖Fig.2 Schematic diagram of AWG wavelength demodulation

1.2光強法解調算法

AWG波長解調系統中，1×N AWG通道i的傳輸譜函數為：

式中：T0為傳輸譜的歸一化因子；λ和λi分別表示入射光波長和AWG通道i的中心波長；Δλi為AWG通道i傳輸譜的半峰值帶寬（FWHM）.

假設FBG的反射譜為高斯型，其反射譜函數可表示為：

式中：R0為反射譜的歸一化因子；λFBG為FBG的中心波長；ΔλFBG為FBG反射譜的半峰值帶寬.

AWG各通道的輸出光強為光源功率、反射譜、傳輸譜三者的乘積在整個光譜范圍的積分，通道i和通道i+1的輸出光強可表示為：

式中：Pi和Pi+1分別為AWG通道i、通道i+1的輸出光強；Li和Li+1分別為AWG通道i和通道i+1的衰減因子，在同一個AWG波長解調系統中，可認為各通道的衰減因子都相等，即Li= Li+1= L；IS（λ）為光源的光功率.

由式（1）、式（2）可知，光強主要由波長在λi、λFBG附近的光決定，寬帶光源的輸出光功率在一個較窄的波長范圍內可以認為是一個定值Is，設AWG通道間隔相同，即Δλ=λi+1-λi為常量，式（3）、式（4）可以簡化為：

在AWG各通道傳輸系數、半峰值帶寬相等的情況下，AWG相鄰通道的光強比對數為與FBG中心波長關系為：

式（7）為AWG波長解調算法的原理公式，AWG輸出光強比對數與FBG傳感器反射波長呈線性關系，因此通過檢測AWG輸出光強信號，即可實現對FBG波長信息的檢測.

2　多通道光纖光柵解調系統實驗研究

2.1多通道光纖光柵解調系統工作原理

多通道光纖光柵解調系統的設計基于AWG波分解復用功能，單通道能解調的FBG傳感器個數受AWG通道數的影響，本文采用4個1×16的AWG，總共4通道，最多可同時解調32個FBG傳感器，多通道光纖光柵解調系統框圖如圖3所示.

圖3　多通道光纖光柵解調系統框圖Fig.3 System block diagram of multi channel fiber Bragg grating demodulation system

寬帶光源選擇SLED寬帶光源，發射1 525～1 565 nm波段的寬帶光，經1×4耦合器入射到各個通道的FBG傳感器，FBG傳感器發射的光經環路器入射到各通道的AWG，由AWG波長解調原理可知，各FBG傳感器的反射光由AWG相應兩通道輸出，光電探測器將光信號轉化為電信號，經調理放大電路后由AD轉換電路將模擬信號轉化為數字信號，最后由ARM芯片進行數據采集和波長解調，計算出FBG傳感器的溫度值，再將解調結果通過串口上傳到PC機，實現實時溫度的檢測和顯示.為了滿足測量需要，FBG傳感器中心波長應根據AWG輸出通道的中心波長來選擇，盡量讓FBG傳感器的中心波長處于AWG對應兩輸出通道中心波長的中心，并且在測量范圍內，FBG傳感器中心波長的漂移范圍應在對應AWG輸出兩通道中心波長之間，減少FBG傳感器之間的串擾，提高系統精度.

2.2控制器單元

對整個多通道光纖光柵傳感解調系統的解調性能來說，處理器的選擇是至關重要的.大量的數據傳輸、存儲和處理，SPI通信，與上位機通信接口，這些功能的實現對處理器的速度和運算能力提出了很高的要求.本文選用STM32F107作為信號采集控制和數據傳輸控制芯片，此芯片功耗低，集成了各種高性能工業標準接口，具有硬件除法和單周期乘法功能，高達64kB 的SRAM，其具備SPI串口，可與AD芯片進行數據傳輸，具備USB OTG接口，支持最新USB技術，可實現通過USB向PC機上傳波長數據和溫度值.

2.3光電信號轉換

光電探測器的選擇在很大程度上影響著解調系統的精度，在設計多通道光纖光柵解調系統時為了保證系統的探測靈敏度和穩定性，本文采用山東招金光電子公司生產的InGaAs PIN型光電二極管作為系統的光電探測器，此光電探測器的光譜范圍在1100～1650 nm之間，頻帶寬，響應速度快，光電轉換靈敏度高.光電探測器輸出的電流一般為微安（μA）級別，則必須選擇輸入偏置電流小、失調小、增益高、響應快、漂移低和性能穩定的放大器作為前置放大器.本文采用ICL7650為前置放大器，完成電流信號到電壓信號的轉化以及放大，再由OP27組成的主放大電路進一步放大，以滿足AD芯片的轉換要求，系統檢測的溫度信號屬于靜態或準靜態的低頻信號.為了提高系統的分辨率，設計了低通濾波電路對高頻熱噪聲進行濾波處理，最終輸出穩定的電壓信號.

2.4 A/D芯片選型

AD芯片的選擇主要從3方面考慮：輸入信號量程、輸入信號的帶寬和精度.本文設計的光電調理放大電路輸出電壓限制在0～2.5 V，待測信號屬于靜態或準靜態信號.為了確定所需AD芯片的精度，搭建的實驗平臺如圖4所示.

圖4　光電調理放大電路特性測試實驗Fig.4 Test experiment of characteristics of photoelectric conditioning circuit

圖4中，將光源輸出的光經3 dB耦合器按1∶1分光后分別輸入光電探測器和光功率計，光功率計記錄的值可認為是光電探測器的輸入光功率，調節寬帶光源的輸出功率，記錄光功率計的值和電壓表的值，通過線性擬合，得到光電調理放大電路輸出電壓V和輸入光功率Ps的關系式：

從式（8）可得，光電調理放大電路的光強響應度為0.000 574 52 V/nW.

實驗中將AWG的輸出光接入到光功率計中，將FBG傳感器置于高低溫實驗箱中，每隔0.1℃記錄一次光功率計的值，測得AWG輸出光功率的最小變化量0.2 nW.由式（8）得，光電調理放大電路的輸出電壓最小變化值為0.000 115 V，因此為了實現精確解調，必須選用高精度的AD轉換芯片.

本文采用TI公司生產的8通道、16位數模轉換芯片ADS8345，該芯片最高采樣頻率達100 kHz，內部自帶保持器，其選用2.5 V為產考電壓，精度可達到0.000 038 V，滿足實驗要求.

2.5解調軟件

光纖光柵解調系統的程序功能主要有配置AD芯片工作、接收AD芯片采集數據、利用光強法解調FBG傳感器中心波長并將解調出的波長值及溫度值通過USB上傳給PC機，系統軟件的主程序框圖如圖5所示.

圖5　主程序框圖Fig.5 Main program block diagram

主程序首先調用系統初始化函數，完成系統時鐘、I/O口、SPI、串行口的初始化，將端口PD0～PD7配置為通用推挽輸出模式，用于4個通道板上的8個ADS8345芯片的片選，ADS8345與STM32F107之間采用SPI通信模式，設置STM32F107的SPI1為主模式，NSS管腳設置為軟件模式，控制ADS8345的8個通道按順序進行A/D轉換，通過DMA方式將SPI_DR中的采樣結果送至指定的內存單元中，采用過采樣的方法，多次采樣求平均值，一次循環采樣結束后，對各通道求得的采樣平均數帶入波長解調公式，解調出波長值和溫度值，最后通過USB進行發送，發送結束后繼續進行下一次采樣循環.

3　多通道光纖光柵解調實驗及結果分析

本文以單通道為例，通過實驗驗證多通道解調系統的可行性.解調實驗選擇SLED（深圳市眾望達光電有限公司）作為系統光源，輸出光功率典型值為11 mW；AWG（奧康光通器件有限公司）通道中心波長范圍為1 545.30～1 560.50 nm，信道間隔為100 GHz；被測FBG傳感器的中心波長分別為1 546.44、1 548.01、1 549.79、1 551.25、1 552.90、1 554.61、1 555.85、1 557.84 nm，波長間隔為1.6 nm，如圖6所示.

圖6　8個串聯FBG的中心波長Fig.6 Central wavelength of 8 series FBG

3.1系統的精度

完成系統各模塊的調試后，按圖3所示搭建實驗平臺，以單通道為例，將8個串聯的FBG傳感器置于高低溫實驗箱中，溫度從20～60℃變化，利用本文設計的光纖光柵解調系統測量其中心波長，每隔5℃記錄一次FBG傳感器的中心波長值.為了保證測量的準確性，在溫度達到設定值后先穩定10 min后再記錄數據，并以MOI公司生產的Si725型光纖光柵傳感分析儀所標定的FBG1—FBG8的中心波長作為真實值與實驗測量值做對比，結果如圖7所示.

由圖7可知，實驗測量值與標定值相當吻合，各個FBG傳感器中心波長實驗測量值與標定值的絕對誤差不大于0.02 nm.

圖7　FBG中心波長與溫度的關系曲線Fig.7 Relationship curve between FBG center wavelength and temperature

3.2系統的穩定性

將1個FBG傳感器（篇幅所限，以中心波長為1 552.90 nm的FBG傳感器為例）置于高低溫恒溫箱中，分別設定溫度為25、30、35、40、45、50、55℃，每個溫度連續測量1 h，每隔5 min記錄一次數據，將不同溫度下測得的數據求相對于設定溫度的方差，得到如圖8所示的測量誤差的方差隨溫度變化的曲線.

由圖8可知，該多通道光纖光柵解調系統具有良好的穩定性，浮動范圍小于±0.1℃，即多通道光纖光柵解調系統對溫度的檢測值精度為±0.1℃.

圖8　多通道光纖光柵解調系統穩定性測試結果Fig.8 Stability results for multi-channel fiber grating demodulation system

4　結語

針對光纖光柵傳感解調這一問題，本文詳細介紹了陣列波導光柵波長解調原理，提出了基于陣列波導光柵的多通道光纖光柵解調器的總體方案和軟硬件設計，從理論和實驗上驗證了其可行性.實驗結果表明，該解調器可以多通道、實時、定量監測光纖光柵傳感器，具有較高的精度和較好的穩定性，解調溫度誤差不大于±0.1℃，FGB中心波長解調范圍為1 545.30～1 560.50 nm，能同時對4通道的32個光纖光柵溫度傳感器的溫度值進行檢測，本研究為光纖傳感器的應用奠定了基礎.

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Multi-channel FBG sensor demodulation system based on arrayed waveguide grating（AWG）

LI Hong-qiang，SUN Jie，ZHANG Cheng，CHEN Xue-long，CUI Bei-bei，CUI Dian-yin，YUAN Dan-yang
（School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Abstract：A multi-channel fiber Bragg grating（FBG）sensor demodulation system based on arrayed waveguide grating （AWG）is designed，which includes light sources，isolator，coupler，optical loop device，FBG，AWG，photoelectric detector，the amplifying circuit，low pass filter circuit and the ARM control circuit. The temperature of FBG can be demodulated accurately with the technology of light intensity demodulation. The experimental results show that the measured demodulation error of the demodulation system is not more than±0.1℃，the demodulation range of FBG center wavelength is 1 545.30-1 560.50 nm. This multi-channel FBG sensor demodulation system can calculate 32 FBG temperature sensors in 4-channel simultaneously.

Key words：multi-channel；fiber Bragggrating（FBG）；arrayed waveguide grating（AWG）；ARM；demodulation system

通信作者：李鴻強（1975—），男，博士，教授，碩士生導師，主要研究方向為光纖光柵.E-mail：lihongqiang@tjpu.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金資助項目（61177078，61307094，31271871）；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目（20101201120001）

收稿日期：2015-07-14

DOI：10.3969/j.issn.1671-024x.2016.02.013

中圖分類號：TN247；TN253

文獻標志碼：A

文章編號：1671－024X（2016）02－0065－07