基于FPGA的多通道高速光纖光柵解調系統(tǒng)

張爽爽，申雅峰

（航空工業(yè)北京長城計量測試技術研究所，北京100095）

0 引言

光纖布拉格光柵（FBG）是目前使用頻率最高、應用范圍最廣的光纖傳感器。它是利用對紫外光敏感的摻雜光纖，將其暴露在光強周期性分布的紫外激光下，摻雜光纖的纖芯折射率根據(jù)照射光強度產(chǎn)生軸向周期性變化，從而形成的一種芯內相位光柵。與傳統(tǒng)電氣傳感器相比較，F(xiàn)BG傳感器具有體積小、重量輕、結構簡單、可復用、損耗小、可長距離測量、電絕緣性好、不受電磁干擾、不受腐蝕、防爆等優(yōu)點［1］。

為使用FBG傳感器測量物理量（溫度和壓力），采用波長掃描技術對FBG傳感器進行解調。在解調過程中，需要對光譜信號進行采集和處理，而采用數(shù)據(jù)采集卡和PC機去實現(xiàn)，存在體積大，價格昂貴等缺點。基于嵌入式的光纖傳感解調儀因體積小、速度快、便攜性好等優(yōu)點而廣泛應用于工程領域。在嵌入式領域，F(xiàn)PGA（現(xiàn)場可編程門陣列）具有并行處理、高速運行等優(yōu)點。本文研發(fā)了基于可調諧F-P濾波器的光纖布拉格光柵的解調技術，采用高速FPGA芯片作為并行處理器，實現(xiàn)了高速多通道的光纖光柵信號解調系統(tǒng)。

1 解調系統(tǒng)方案

光纖光柵解調技術的關鍵在于如何獲取FBG傳感器反射信號的光譜波長值。系統(tǒng)主要包括：內置可調諧F-P濾波器的波長掃描激光器，F(xiàn)-P標準具，光電探測器，啟動脈沖電路以及嵌入式解調系統(tǒng)等。由鋸齒波電壓驅動F-P濾波器產(chǎn)生波長掃描光源，由半導體激光器產(chǎn)生1510～1590 nm的增益，得到波長掃描光源，出射的光1分2耦合器將光分成兩束，一束光注入1分16路光分路器，等分成16路輸送到FBG傳感器，并將FBG傳感器的光反射信號輸送到光探測放大模塊。另一束光則注入光纖F-P標準具中，F(xiàn)-P標準具的光信號經(jīng)光電轉換并配合放大電路轉成16路F-P標準具電壓信號。將轉換后的16路傳感器信號和16路F-P標準具信號分成16組并由16路嵌入式解調系統(tǒng)進行處理，最終將16路的解調結果通過以太網(wǎng)上傳至交換機，并最終上傳至上位機。其中，系統(tǒng)中的光源使用的是SOA激光器的增益放大器，通過在可調諧法布里-珀羅濾波器（FFP）上施加掃描電壓實現(xiàn)波長掃描。其掃描頻率為1 kHz，波長變化范圍為80 nm，線寬為0.1 nm；F-P標準具的自由光譜范圍為0.4 nm，精細度14。其中抹去F-P標準具波長為1529.568 nm和1529.958 nm兩個波長處的峰，便于通過峰峰間距判定尋找標記位置來進行波長擬合。嵌入式解調系統(tǒng)則是選用FPGA作為處理芯片，AD轉換芯片用于實現(xiàn)信號的采集、計算以及數(shù)據(jù)傳輸［2-5］。系統(tǒng)解調框圖如圖1所示。

圖1 解調系統(tǒng)原理圖

在該解調系統(tǒng)中，需將測量的光信號通過光電二極管轉換為電信號并放大，并使用芯片AD對F-P標準具信號和FBG傳感器的波長信號進行采集，根據(jù)F-P濾波器的透射譜峰值波長和掃描電壓的關系可計算得出FBG傳感器波長值，數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送給計算機。最后根據(jù)FBG傳感器的波長變化量和已標定的待測物理量的編碼關系計算出待測物理量的變化［6］。

2 解調原理及算法實現(xiàn)

2.1 對稱三角波

在常規(guī)解調方案中，三角波的掃描頻率決定了激光器的波長掃描頻率，從而決定了系統(tǒng)的解調速率。在高速掃描系統(tǒng)中，每增加系統(tǒng)的掃描頻率都將降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，為了增加掃描系統(tǒng)的穩(wěn)定性并且提高三角波的利用率，本文設計基于對稱三角波的波長掃描系統(tǒng)，即設計的三角波驅動電壓在上升和下降期間完全對稱。在這種情況下，基于FPGA的數(shù)據(jù)處理模塊將分別在1 kHz三角波的上升和下降階段進行采集處理，從而實現(xiàn)2 kHz的解調速率。由于上升和下降期間采集的對稱性，在三角波下降時采集的數(shù)據(jù)需要進行逆向排序，以保證和波長掃描正相關。本文采用DDS芯片來生成對稱三角波，生成的三角波通過運放進行放大，采用程控放大器來改變放大倍數(shù)。整個電路由ARM（STM32F103）芯片控制。最終生成的三角波如圖2所示。

圖2 對稱三角波信號

圖2 主要顯示了掃描電壓信號和同步信號，其中鋸齒波信號周期為1 ms，對應重復頻率為1 kHz，掃描電壓最大值為20 V左右，與之對應的同步信號的周期也為1 ms。由于鋸齒波掃描上升和下降的對稱性，實際應用中將分別產(chǎn)生兩組對稱的F-P標準具及傳感器信號，從而實現(xiàn)2 kHz的解調速率并增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 FPGA解調算法

波長解調技術決定了光纖光柵波長的解調算法，也決定了解調過程中所采集的數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的方式［7］。本項目主要研究的是基于F-P濾波器的光纖光柵解調系統(tǒng)的波長解調算法，對F-P標準具和FBG傳感器進行數(shù)據(jù)處理，最終可得到FBG傳感器的中心波長變化量。數(shù)據(jù)處理過程主要包括對F-P標準具波形和傳感器波形的峰值檢測和波長的計算。采樣得到一個完整的波峰波形時，需要采用合適的尋峰算法確定其峰值位置，尋峰算法是決定標定與解調準確度的關鍵因素。本系統(tǒng)采用基于FPGA的自適應尋峰算法來進行峰值定位。根據(jù)系統(tǒng)的情況，通過FPGA檢測同步信號成的上升沿和下降沿，然后觸發(fā)FPGA控制采集芯片進行采集，F(xiàn)PGA將采集的信號進行閾值截取并進行濾波去噪聲處理，同時將濾波信號存入FIFO，存儲完一定數(shù)據(jù)之后FIFO再讀出數(shù)據(jù)，然后對讀出后的數(shù)據(jù)進行峰值位置判定以及波長擬合。最后將計算出的結果通過以太網(wǎng)發(fā)送至上位機并實時顯示。

為去除光譜區(qū)外的毛刺，需設置合適的閾值，大于閾值的信號保持不變，小于閾值的信號設為閾值大小。為了保證閾值設置的合理性，本文采用實時動態(tài)閾值進行判定，在上一次采集的結果中找出數(shù)據(jù)的最大值和最小值，并取其差值的五分之一左右作為截取閾值（若F-P標準具信號電壓為0.2～1.2 V，則閾值為0.4 V），去除低電壓噪聲干擾。同時，采集出的光譜也受到一定噪聲的影響，必須對采集到的原始光譜數(shù)據(jù)進行濾波處理。本系統(tǒng)選用Newton-Cotes公式進行濾波降噪處理。

對信號進行濾波處理后即可進行求峰值運算。首先通過峰值最大值比較法進行粗略定位，然后再通過自適應半峰法進行精確定位。峰值計算判定方法如圖3所示。首先通過計算最大值75分位值和尋峰有效點平均值期望來得到標定的閾值Yavr。再通過判斷標定閾值Yavr的前后的點來得到Yavr前后處的位置，其中峰值左側和右側各一組。正常情況下，峰值左側和右側Yavr附近的位置的中間位置即為峰值位置，但是由于采樣點的時間間隔性，圖3得到的位置依然比較粗糙。為了實現(xiàn)精確峰值定位，同時避免FPGA的浮點運算，本文將橫坐標擴展128倍，再根據(jù)得到的兩組標定閾值的前后位置，結合三角相似原理得到閾值處精確位置，如圖4和圖5所示。其中圖4的3 dB值對應圖3的Yavr值，峰值左側和右側的兩組標定閾值前后位置分別為xi，xi+1，xj，xj+1。

圖3 半峰檢測方案圖

圖4 三角原理求精確位置

圖5 相鄰兩點構成的三角形

最終，采用四階拉格朗日插值法進行插值擬合，并通過F-P標準具的波長值對FBG傳感器的波長進行標定［8-9］。

3 測試結果

為滿足解調速度的要求，本套系統(tǒng)有16塊FPGA開發(fā)板同時參與解調計算并將獲取的結果經(jīng)以太網(wǎng)發(fā)送至網(wǎng)絡交換機，交換機通過分配IP地址將數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送至上位機。上位機將顯示不同通道下不同傳感器的結果。

3.1 波長測量范圍測試

使用帶標記波長的F-P標準具直接連接至光源測量光源帶寬，進而驗證解調儀波長測量范圍。圖6為一個FSR的F-P標準具譜，F(xiàn)-P標準具的自由光譜范圍為0.4 nm，精細度14。其中抹去F-P標準具波長為1529.568 nm和1529.958 nm兩個波長處的峰，便于通過峰峰間距判定尋找標記位置來計算光源帶寬。圖6光譜覆蓋1510.330～1590.767 nm波段，因此可得解調儀帶寬大于80 nm。

圖6 F-P標準具譜

3.2 工作頻率測試

通過在一定時間內保存數(shù)據(jù)的個數(shù)進行驗證（例如，記錄時長為1 s的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行計數(shù)）。工作頻率測試結果如表1所示。

3.3 波長分辨力測試

使用穩(wěn)定性能高的參考波長作為傳感器對解調儀的波長分辨力進行測試，選取通道1，5，9，13進行測試，測試結果如圖7、圖8、圖9、圖10所示。

從圖7、圖8、圖9、圖10的測試結果可得，該解調系統(tǒng)的波長分辨力為5 pm。

4 結論

本文根據(jù)高速掃描光纖激光器，結合FPGA高速處理的優(yōu)勢，開發(fā)了一種多通道高速光纖光柵解調系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)16通道、2 kHz解調速率的高速解調，并且具有較高的解調分辨力和測量準確度。

表1 工作頻率測試結果

圖7 通道1傳感器測試結果

圖8 通道5傳感器測試結果

圖9 通道9傳感器測試結果

圖10 通道13傳感器測試結果