基于FPGA的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究
精確檢測由各種外界參量變化引起的Bragg波長微小偏移,并簡潔顯示,是與光纖Bragg光柵傳感器在工程技術(shù)中的商用化息息相關(guān)。一個(gè)高精度、穩(wěn)定、操作簡單、性價(jià)比高的信號解調(diào)系統(tǒng)是FBG傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
由于光纖光柵傳感器的關(guān)鍵技術(shù)是解調(diào)傳感器反射波長的編碼信號,常用解調(diào)方法有:1)直接法,即光譜儀檢測法;2)濾波法,包括匹配FBG可調(diào)濾波檢測法邊緣濾波法可調(diào)諧F-P濾波法;3)干涉法,包括非平衡M-z干涉法,非平衡邁克爾遜干涉法;4)可調(diào)光源解調(diào)法,包括鎖模法可調(diào)窄帶光源檢測法:5)光柵色散解調(diào)法。其中光譜儀檢測法中的光譜儀體積龐大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,攜帶不便,使用時(shí)需反復(fù)校準(zhǔn),且高精度光譜儀價(jià)格昂貴,基于干涉法建立的信號解調(diào)系統(tǒng)最大缺點(diǎn)是掃描速度慢,并且價(jià)格偏高。上述解調(diào)方法共同的缺點(diǎn)是分辨率不高,成本高。而匹配解詞法具有分辨率較高、解調(diào)速度快、重復(fù)性好、成本低等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用廣泛。目前國內(nèi)外已研究出高精度、高分辨率的光纖光柵傳感器解調(diào)儀,但價(jià)格昂貴,很難在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。為了使光纖傳感器應(yīng)用廣泛,首先就是降低成本,又因?yàn)?strong>FPGA的時(shí)鐘頻率高,內(nèi)部時(shí)延小,全部控制邏輯由硬件完成,速度快效率高,適于大數(shù)據(jù)量的高速傳輸控制;組成形式靈活,可以集成外圍控制,譯碼和接口電路。于是把FPGA引入到實(shí)際解調(diào)電路中。因此,開發(fā)了一個(gè)基于FPGA的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用雙匹配光柵為調(diào)諧元件,具有較高的分辨率和測量精度,并能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)測量。
1 基于雙匹配光纖光柵解調(diào)技術(shù)的解調(diào)系統(tǒng)
1.1 系統(tǒng)裝置
本系統(tǒng)采用雙匹配光纖光柵并聯(lián)解調(diào)法解調(diào)光纖光柵傳感信息,其工作原理如圖1所示。寬帶光源(BBS)發(fā)出的光經(jīng)過3 dB耦合器1入射到傳感光纖光柵FBG1,透射光被折射率匹配液吸收,只有滿足Bragg條件的光才被反射回來,再次經(jīng)3 dB耦合器2進(jìn)入3 dB耦合器3和3 dB耦合器4,到達(dá)并聯(lián)的2個(gè)匹配光柵FBG2和FBG3。通過FBG2和FBG3的透射光被折射率匹配液吸收,反射光被光電探測器PIN1和PIN2接收。光電探測器接收從匹配光纖光柵反射回來的光,把光信號轉(zhuǎn)換成微弱的電信號,再經(jīng)過信號調(diào)理電路和信號采集電路輸入給FPGA處理。FPGA將采集的數(shù)據(jù)一方面進(jìn)行信號處理,另一方面通過顯示屏顯示所測的數(shù)據(jù)結(jié)果。
1.2 工作原理
圖1所示的系統(tǒng)中,F(xiàn)BG僅對滿足的單一波長光進(jìn)行反射。只有后向反射光才能在光電探測器上產(chǎn)生強(qiáng)輸出。匹配光纖光柵FBG2和FBG3是FPGA通過2個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動器來調(diào)諧的。當(dāng)并聯(lián)的2個(gè)匹配光纖光柵處于自由態(tài)時(shí),使得2個(gè)匹配光纖光柵的至少1路與傳感光纖光柵FBG1的峰值反射波長相同,此時(shí)沒有光透過匹配光纖光柵,光全部被反射,因此光電探測器的輸出信號幅值最大,此時(shí)FPGA輸出一個(gè)固定的電壓,使匹配光纖光柵的中心波長不再變化。當(dāng)傳感光纖光柵FBG1因外界物理量溫度或應(yīng)變等,使中心波長發(fā)生變化時(shí),匹配光纖光柵FBG2或者FBG3與傳感光纖光柵FBG1的峰值反射波長不再匹配,此時(shí)光電探測器某一路輸出的信號幅值下降,而另一路輸出的信號幅值可能下降也可能上升。芯片通過周期性變化的鋸齒波電壓信號來驅(qū)動2個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動器,使2個(gè)匹配光纖光柵的中心波長同時(shí)發(fā)生變化,這2個(gè)匹配光纖光柵同時(shí)跟蹤傳感光纖光柵FBG1的波長變化,直至使光電探測的2路輸出幅值達(dá)到最大為止。在原理上增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性,同時(shí)克服了匹配濾波法信號檢測中的雙值問題。記錄此時(shí)輸出的電壓大小,根據(jù)輸出電壓與波長漂移的擬合曲線,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最后根據(jù)傳感器外界物理量與波長的編碼關(guān)系式即可計(jì)算出待測物理量溫度、壓強(qiáng)或應(yīng)變等的大小達(dá)到信號解調(diào)的目的。
當(dāng)一束光進(jìn)入光纖布拉格光柵后,對滿足布拉格條件的光會產(chǎn)生反射。光纖布拉格光柵反射波的中心波長為:
式中neff為光纖光柵的有效折射率,A為光柵周期。
外界環(huán)境溫度、壓力的變化都會使neff和A發(fā)生變化,從而導(dǎo)致光纖光柵反射波的中心波長發(fā)生漂移。對式(1)兩邊的溫度求導(dǎo),可得:
令,為光纖的熱光系數(shù),描述光纖折射率隨溫度的變化關(guān)系;令為光纖的熱膨脹系數(shù),描述光纖受熱膨脹所引起的光纖光柵周期的變化與溫度的關(guān)系。
則式(3)可以簡寫為:
由式(4)可知,dλg與dT成線性關(guān)系,通過測量dλg就可以確定溫度T。
2 解調(diào)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1 光源和3dB耦合器的選擇
光源的特性決定光纖系統(tǒng)是否達(dá)到預(yù)計(jì)的指標(biāo)。作為光源的發(fā)光器件應(yīng)該滿足以下條件:
1)體積小,發(fā)光面積應(yīng)與光纖芯徑的尺寸相匹配,而且光源和光纖之間應(yīng)有較高的耦合效率;
2)發(fā)射光波長應(yīng)適合光纖兩個(gè)低損耗波段,即短波長0.8~0.9μm和長波長1.2~1.6μm;
3)直接進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制,且與調(diào)制器的連接方便;
4)可靠性高,工作壽命長,穩(wěn)定性高,互換性好。
耦合器是一種用于傳送和分配光信號的無源器件。通常,光信號由耦合器的一個(gè)端口輸入,而從另一個(gè)或幾個(gè)端口輸出,因此,耦合器可以用來減少系統(tǒng)中的光纖用量以及光源和光纖活動接頭的用量,也可用于節(jié)點(diǎn)互連與信號混合。它可在相同波長上,將來自幾束光纖的光耦合到其他幾柬光纖中,也可將光從一束光纖分離到幾束光纖中。耦合器是通過將2根或多根光纖熔接并拉伸,產(chǎn)生一個(gè)耦合區(qū)而產(chǎn)生的。理想的光纖耦合器,信道插入損耗為0 dB,隔離度為1。一般實(shí)際值與理想情況接近。分光比為50%:50%的2x2光纖耦合器被稱為3dB耦合器。
2.2 A/D轉(zhuǎn)換器和FPGA器件選型
采集電路是實(shí)現(xiàn)模擬信號數(shù)字化的電路,其模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器是采集電路的核心。系統(tǒng)對2路電壓信號同時(shí)采集??紤]到系統(tǒng)的速度、精度和分辨率等要求,這里采用16位的A/D轉(zhuǎn)換器AD976。AD976采樣速率高達(dá)100 Ks/s,采用的是電荷重分布技術(shù)的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器,由內(nèi)部電容模塊進(jìn)行高速采樣,因此無需外加采樣保持器,從而簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)。
此系統(tǒng)采用ALTERA公司優(yōu)性價(jià)比的Cyclone系列EP1CQ240C8。EP1CQ240C8內(nèi)部有LE 5 980個(gè),PLL2個(gè),185個(gè)I/O端口。利用PLL可完成對輸入分頻、倍頻、占空比的設(shè)定、特定的相移,非常方便。把輸入時(shí)鐘必須分給全局時(shí)鐘引腳。EP1CQ240C8內(nèi)部有RAM 92 160 bit,可以實(shí)現(xiàn)單口RAM,雙口同步FIFO,異步FIFO,CAM(內(nèi)容地址存儲器),豐富的I/O可以完成和外設(shè)的連接。
2.3 信號調(diào)理電路
信號調(diào)理電路主要完成光電轉(zhuǎn)換和小信號的放大和濾波等功能。本系統(tǒng)的光電探測器采用PED100-LN,其暗電流小、響應(yīng)度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性和可靠性好,在1 550nm的波長附近具有良好的線性輸出;具有對數(shù)特性,對大信號增益小,對小信號增益大,因此可對功率在大范圍內(nèi)變化的光信號進(jìn)行響應(yīng)。光電探測器是將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘枺漭敵龅碾娏魍ㄟ^高精密運(yùn)算放大器構(gòu)成的電路轉(zhuǎn)換為合適的電壓信號。為了使小信號電壓信號不被電路噪聲所淹沒,所以在電路的前端加鎖定放大電路,信號通過放大電路后傳輸?shù)綖V波電路,濾波電路選用二階低通濾波電路。低通濾波電路輸出的信號傳輸給下一級電路進(jìn)行處理。
又由于光電探測器靈敏度低、輸出電流小,一般只有數(shù)微安,甚至更小,因此必須選用前置放大器對信號進(jìn)行放大。首先從去噪角度上考慮前置放大電路的設(shè)計(jì),電路中需要引入去耦電容。去耦是去除芯片電源管腳上的噪聲,噪聲是芯片本身產(chǎn)生的。在直流電源電路中負(fù)載的變化會引起電源噪聲。此外,前置放大電路還應(yīng)該起到最大限度抑制噪聲的作用,以獲得最大的信噪比。前置放大器的核心部分是運(yùn)算放大器,應(yīng)盡量選擇具有高的輸入電阻、小的失調(diào)電流的高性能運(yùn)算放大器。圖2為前置放大電路。
作為光信號檢測中的關(guān)鍵部分,前置放大電路的性能在很大程度上決定了整個(gè)光檢測系統(tǒng)的性能。如果采用一般的放大器進(jìn)行放大,放大器本身會引入較高的噪聲,后一級放大器將對前一級放大器輸出的信號和引入的噪聲同時(shí)進(jìn)行放大,因此信噪比不會得到改善,本系統(tǒng)中要探測的光電流信號很微弱,因此,前置放大器的增益必須很高。此外,前置放大電路還應(yīng)該起到最大限度抑制噪聲的作用,以獲得最大的信噪比。綜合各方面的考慮,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前置放大電路如圖2所示。由于OP07是一種低噪聲,非斬波穩(wěn)零的單運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓,所以在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點(diǎn),這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。光電探測器輸出的光電流信號經(jīng)過前置放大器后,實(shí)現(xiàn)了電流-電壓的轉(zhuǎn)換和一次放大,但是為了滿足后續(xù)電路的需要,必須對信號進(jìn)行二次放大,二級放大電路選用高精密運(yùn)算放大器OP07構(gòu)成。其二級放大電路如圖3。
3 解調(diào)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
光纖光柵的解調(diào)算法受到測試條件和解調(diào)方法的限制,至今還沒有統(tǒng)一的可用公式,可通過試驗(yàn)的方法,測出一組典型數(shù)據(jù),用曲線擬合算法進(jìn)行擬合計(jì)算,確定傳感光纖光柵中心波長偏移量。為了提高解調(diào)系統(tǒng)的精度,需要大量的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算,可對FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲器的外擴(kuò),或通過串口把數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和處理。解調(diào)系統(tǒng)軟件由以初始化子程序、PZT驅(qū)動子模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換子模塊、求最大值子模塊、數(shù)據(jù)擬合子模塊、顯示子模塊及通信接口子模塊等組成。圖4為解調(diào)系統(tǒng)軟件流程圖。
借助引入標(biāo)準(zhǔn)光柵的解調(diào)方案,提出了一種實(shí)時(shí)計(jì)算擬合曲線的方法,實(shí)現(xiàn)了動態(tài)的曲線擬合,保證了測量的高精度。因?yàn)檫@種動態(tài)擬合曲線去除了由于光強(qiáng)抖動等產(chǎn)生的隨機(jī)誤差,同時(shí),這樣還可以在相當(dāng)程度上避免由于偶然或者固有原因所帶來的誤差。擬合曲線算法采用拉格朗日插值方法,其公式為:
首先求出一組典型的數(shù)據(jù),假設(shè)取若干組數(shù)據(jù),利用拉格朗日插值法,可以得到所需的波長值。為了方便用流程圖表示,選取5個(gè)點(diǎn)A1(x1,Y1),A2(x2,Y2),A3(x3,Y3),A4(x4,Y4),A5(x5,Y5)。具體流程如圖5所示。
4 結(jié)論
FBG光柵有著廣泛的應(yīng)用前景,有關(guān)于FBG光柵的理論研究到目前為止已經(jīng)取得很大的成就,采用合適的解調(diào)技術(shù),降低光纖光柵的使用成本,就能夠推動光纖光柵傳感器在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用?;诖?,探討了3大問題:
1)設(shè)計(jì)出了一種基于FPGA系統(tǒng)的光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng),從理論和實(shí)驗(yàn)的角度分析了系統(tǒng)的可行性;
2)采用FPGA設(shè)計(jì)了解調(diào)系統(tǒng)的硬件平臺;
3)通過FPGA對拉格朗日插值曲線擬合,實(shí)現(xiàn)了一種高精度的解調(diào),通過采用雙光柵匹配解調(diào)方法有效地避免了雙值問題,并且有效地?cái)U(kuò)大了解調(diào)范圍。
目前限制光纖光柵傳感器大量實(shí)際應(yīng)用最主要的障礙依然是傳感信號的解調(diào)。因此,研究開發(fā)適用于實(shí)際工程應(yīng)用的解調(diào)系統(tǒng),降低成本,是光纖光柵傳感器在實(shí)際工程應(yīng)用中得到推廣的至關(guān)重要的課題。