基于FPGA的光纖光柵溫度傳感器高速解調系統

王 偉,張天陽,陳海濱,郭子龍

(西安工業大學 光電工程學院，西安 710021)

引 言

布喇格光柵光纖(fiber Bragg grating,FBG)作為一種均勻光柵光纖，其內部的折射角度的變化和依據變化所形成的規律周期都沿著光纖軸向固定不變[1]。光纖布喇格光柵作為傳感元件，具有低損耗、光譜特性好、易于連接、可靠性高的優點[2]，其傳感的信息采用波長編碼，且波長參量不受光源功率起伏以及光路連接或耦合損耗的影響，抗干擾能力很強。因此光纖光柵的解調是光纖光柵傳感器用的關鍵技術。

目前的光纖光柵傳感器解調方法大部分都是基于波長掃描原理對光纖光柵進行解調，衡量解調系統的重要指標就是掃描速度和解調精度[3]。FBG傳感信號的解調方法有很多，可分為以下幾類:邊緣濾波法[4]、匹配濾波法[5]、可調諧濾波法[6]、光柵啁啾解調法[7]、CCD測量法[8]、干涉解調法[9]。2009年，WANG等人采用2kHz鋸齒波輸出控制模塊給法布里-珀羅 (Fabry-Pérot,F-P) 腔提供驅動，在50nm帶寬2kHz的掃描頻率下，實現了平均尋峰誤差小于0.5pm的光纖光柵解調[10]。2013年，CAI等人提出了一種基于狀態機的自適應半峰檢測算法，采用時間交替技術完成對光譜波形的高速采樣[11]。LI等人采用半導體光放大器和可調諧F-P濾波器，采用2kHz的類三角波調制信號，驅動F-P濾波器在50nm的光譜范圍內進行快速掃描[12]，有效減小了FP腔的腔長變化的非線性效應。迄今為止，光纖光柵傳感器解調系統存在著光源穩不穩定、解調系統體積龐大、解調速率較慢等亟待解決的問題。

本文中針對上述存在的問題提出了一種高速小型化解調系統的設計。基于小型近紅外光譜儀模塊和200M高速采樣芯片，利用現場可編程門陣列(field-programmable gate array,FPGA)器件作為主控芯片設計了用于光纖光柵溫度解調的數字式高速解調系統，具有體積小、結構緊湊、分辨率高的優點，并且顯著提高了光纖光柵溫度傳感器的解調速率。

1 解調原理

根據光纖耦合模理論和Bragg反射條件，反射光的中心波長可由下式表示：

λk=2neffΛ

(1)

式中，λk為反射光的中心波長，neff為FBG的有效折射率，Λ為FBG的寫入周期長度。

圖1為光纖布喇格光柵結構原理圖。圖中，λb為入射光的波長帶寬，λb-λk為透射光的光譜范圍。

Fig.1 Schematic diagram of FBG structure

光柵光纖的周期Λ和纖芯折射率會隨著傳感器所處環境溫度的改變而改變， 可由下式表示：

dλk=λk(α+ξ)dT

(2)

根據FBG的熱光系數ξ和線性熱膨脹系數α，推導出溫度T改變時，反射光中心波長的偏移量。普通的摻鍺石英光纖的線性熱膨脹系數α=0.55×10-6/℃，熱光系數ξ=7.0×10-6/℃，相對溫度靈敏度系數為7.55×10-6/℃，本文中所采用的單模光纖光柵的中心波長峰值為1550.938nm，理論計算得到光纖光柵溫度傳感器的溫度靈敏度約11.71pm/℃。

本文中基于小型近紅外光譜儀模塊和200M高速采樣芯片，利用FPGA作為主控芯片設計了用于光纖光柵溫度解調的數字式高速解調系統，具有小體積、結構緊湊、分辨率高的優點，并且顯著提高了光纖光柵溫度傳感器的解調速率。

1.1 光路設計

Fig.2 The integrated block of demodulation system

本文中所搭建的光路簡單，有利于光纖光柵解調系統的小型化。如圖2所示，光路部分包括放大自輻射(amplified spontaneous emission,ASE)光源、三端口環形器、光譜儀模塊、光纖光柵溫度傳感器。ASE光源的波長范圍為1536nm～1566nm，ASE發出的光通過端口3光纖環行器的端口1進入光纖環行器，光再通過環行器的端口2進入FBG傳感器，FBG反射的光信號通過光纖環行器的端口3和光譜儀模塊相連，光譜儀模塊的響應波長范圍為1525nm～1570nm，滿足對ASE光源的發射波長范圍探測的需求。光譜儀探測到傳感器的反射信號后，將信號發送給采樣電路。FPGA電路驅動控制光譜儀模塊和模數轉換(analog-digital,AD)采樣電路的同時，將采樣獲得的數據進行處理后送至上位機，在上位機上實時動態顯示。

1.2 電路設計

本文中采用的光譜儀模塊的解調速度可以達到20kHz，而且該系統選用了ADC08200芯片，最高采樣速率可達200M，可以滿足數據采樣速率的要求，而FPGA芯片具有并行高速處理的特點，因此可以實現較快的數據處理速度，結合上位機顯示，能夠對光纖光柵傳感器進行實時的監測，實現高速解調的效果。圖3為光譜儀模塊的電路設計。

Fig.3 Circuit of spectrometer module

光譜儀模塊選用的是Ibsen公司I-MON 256系列的 InGaAs 線性像傳感器，具有低噪聲、低暗電流、易操作性，采用相關的雙重采樣(correlated double sampling，CDS)電路和無損檢測。該光譜模塊內部通過線陣掃描輸出的方式，通過電流積分的方式，將探測到的光信號從長波到短波依次輸出。其內部是由256個線性像素單元，其內部集成有時鐘電路，工作過程分為復位階段、電流積分階段、電壓輸出階段。且設置的電流積分時鐘周期數越大，則電流積分的時間周期越長，輸出的電壓值也就越高，可以使得輸出的光譜相對強度值整體增大，同時，I-MON模塊輸出信號并不是波的光譜，需要進行區間轉換，從而計算出每個波長對應的相對強度，通過尋峰算法，取出最大光強處的中心波長。AD轉換觸發信號、AD轉換啟動信號AD-sp、時鐘信號和復位信號通過LSF01088 通道雙向多電壓電平轉換器和FPGA控制電路相連，通過控制電路可以實現對光譜儀模塊AD轉換的控制。光譜儀模塊的輸出信號VIDEO和高速采樣芯片ADC08200相連。可以通過控制光譜儀模塊的電流積分時間，改變光譜儀模塊的輸出信號VIDEO值的大小，可以通過修改軟件程序實現掃描光譜輸出幅值的大小，采樣電路如圖4所示。

Fig.4 Sampling cricuit

光譜儀模塊的輸出信號VIDEO和采樣芯片的VIN引腳相連，采樣芯片的輸出信號D0～D7輸出到FPGA控制電路，然后進行數據處理。該光譜儀模塊的時鐘可以達到6MHz，像素單元有256個，其中需要額外的積分時間控制輸出光譜幅值大小，由此需要290個時鐘周期，通過計算可知，該光譜儀模塊的掃描速率可以達到20kHz。

解調電路中的光譜儀模塊的外形尺寸為21mm×50mm×66mm,電路板的尺寸為120mm×99.5mm，此外該解調系統的電源采用的是6V的輸入電壓供電。可以采用兩種供電方式:一種是采用線性穩壓器，輸入220V交流電，輸出6V電路直流電壓;還可以采用充電干電池的方式給電路板供電。兩種供電方式所占用的解調系統空間都有限，使本文中所設計的光纖光柵溫度傳感器解調儀的結構更加緊湊、體積更小、更加便攜。

1.3 尋峰算法

尋峰算法是解調系統中的關鍵也是系統中的一個難點問題。尋峰算法的目的是要對采集得到的大量離散不連續數據尋到峰值點，尋峰算法要滿足準確性高、速度快的要求[13]。FBG 反射光譜含有的白噪聲、高斯噪聲、相位工頻噪聲等，會干擾反射光譜峰值對應中心波長值的檢測，因此需要有合適的尋峰算法濾除光譜噪聲[14]。噪聲幅值應在信號幅值的0.1倍以下，否則將產生較大的誤差[15]。

高斯擬合算法先進行高斯多項式變換，采用一般多項式擬合算法得到峰值位置[16]。光纖光柵的反射光功率密度譜曲線可以用高斯函數近似表示：

(3)

式中，I0表示中心波長的光強，λk表示中心波長，Δλ表示光譜波長范圍，I(λ)表示波長為λ時的光強，對上式兩端進行對數變換，令：y=lnI,A=-4ln2/(Δλ)2,B=8ln2×λk/(Δλ)2,C=lnI0-4ln2×λk/(Δλ)2,則(3)式可以改寫為：

y=A×λ2+B×λ+C

(4)

可以推算出FBG的反射譜對應的中心波長為：

(5)

本文中采用高斯多項式擬合尋峰算法對FBG溫度傳感器的中心波長進行了解算。為了驗證擬合效果，對實驗數據進行了高斯擬合，和高分辨率的光譜儀測量結果進行了對比，圖5為擬合曲線和實驗數據曲線圖。橫坐標為波長，縱坐標為功率譜密度(power spectral density，PSD)。

Fig.5 Fitting curve of the experienced data

然后將其和高分辨率的光譜儀測量數據進行對比，驗證算法的擬合效果，光譜儀采集的一組功率譜密度圖如圖6所示。

Fig.6 Power spectral density measured by a spectrometer

2 實驗與分析

對中心波長為1550.938nm的FBG溫度傳感器進行了實驗，其參量如表1所示。

Table 1 Parameters of fiber rating sensor

實驗環境為室溫，測量范圍為30℃～60℃,以1℃為測量間隔，記錄對應的中心波長值，測量的時候，須等到溫度恒定后，再將其數值記錄下來，然后做10次重復性實驗，取其均值作為最終的實驗結果，最后對測量數據進行線性擬合，確定溫度和中心波長的線性關系。

對圖7中溫度和峰值波長散點的實驗數據進行了線性擬合，擬合后的線性方程為：

λc=1551.05473+0.01249Te

(6)

式中，λc為反射光的峰值波長，Te為測量環境的溫度，通過(6)式可以得出：溫度每上升1℃，高斯多項式擬合法測得的峰值波長偏移量為12.49pm。

Fig.7 Relationship between temperature and peak wavelength

通過將實驗數據和理論值進行比較，實驗結果和理論結果存在差異。計算是在理想條件下進行的，而實驗的時候，測試環境以及光纖材料的折射率等因素都屬于不確定因素，會造成理論值和實驗數據的差異。而且在測量過程中為了減小這種誤差做了多次測量，但是通過多次提高測量的精確度，只能無限逼近準確度，因此這種誤差是被允許的。

3 結 論

本文中以高分辨率數字式光譜儀為核心器件，通過FPGA控制電路和高速采樣電路，在30℃～60℃的溫度范圍內，實現了解調速度高達20kHz、靈敏度為12.49pm/℃的光纖光柵溫度傳感器解調儀設計。相比于傳統的光譜儀解調方式具有解調速度快、體積小而緊湊、便攜等特點。相比于其它匹配法等解調方式具有裝置簡易、系統穩定等優點。本文中所提出的高速的FBG光纖光柵，目前的測量溫度范圍有限，通過進一步的研究，可以將其應用到溫度動態變化范圍大的領域，比如航空發動機的監測，其高溫工作環境和溫度的高速變化對傳感監測技術產生了挑戰，也是未來發展FBG傳感技術的發展方向之一。