何彥璋，隋廣慧，常歡，申雅峰，張磊

(中航工業(yè)北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

光纖光柵的反射或透射譜的中心波長受應變、溫度等因素的影響而發(fā)生變化，波長的變化量同應變和溫度等因素具有確定的關系，因此波長解調(diào)是光纖光柵傳感系統(tǒng)的核心技術之一。根據(jù)基本原理的差異，解調(diào)技術可以分為濾波器法、衍射光柵分光、干涉法及掃描光源法等，其中衍射光柵分光法利用光柵的分光特性，將不同波長的光束在空間展開后通過光電探測器進行檢測，該方法可以達到1 pm 的波長分辨力，同時具有較高的環(huán)境適應性，在航空、航天、建筑等領域具有重要的應用前景［1－3］。

本文介紹了基于FPGA 的FBG 光纖光柵傳感系統(tǒng)，運用FPGA 芯片控制InGaAs 探測器曝光、數(shù)據(jù)傳輸以及AD9826 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片工作，通過網(wǎng)口將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，最后依靠上位機軟件實現(xiàn)高斯擬合算法，對采集數(shù)據(jù)進行處理獲得解調(diào)結果。

1 FBG 傳感解調(diào)系統(tǒng)工作原理

基于FPGA 的FBG 傳感解調(diào)系統(tǒng)如圖1 所示，寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過隔離器，進入環(huán)形器，環(huán)形器一端接光纖光柵，反射信號由環(huán)形器的另一端輸出，經(jīng)過準直透鏡進入裝置，由雙光柵衍射分光，非球面反射鏡成像在InGaAs 線陣探測器上。探測器將光信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號，模擬電信號通過AD9826 轉(zhuǎn)換為便于FPGA 處理的數(shù)字信號，經(jīng)過FPGA 處理后，信號通過以太網(wǎng)發(fā)送至上位機進行高斯擬合，最終得到解調(diào)結果。整個解調(diào)系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大組成部分。

圖1 基于FPGA 的FBG 傳感解調(diào)系統(tǒng)原理

2 硬件系統(tǒng)設計

FBG 光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)硬件部分:通過探測器將傳感器發(fā)出的光信號轉(zhuǎn)化為模擬電信號，然后通過AD9826 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后FPGA 將數(shù)字信號通過以太網(wǎng)口進行發(fā)送至上位機。圖2 為硬件系統(tǒng)構成示意圖。FPGA 芯片為Stratix II 系列的EP2S60F1020C4。芯片為Stratix 系列的中檔器件采用BGA 的封裝形式，包含48352 個ALUTs、1024 個管腳、2.5 Mbit 的片上RAM 以及36 個DSP 模塊。FPGA 控制整個系統(tǒng)工作，輸出探測器控制信號CLK，RESET 信號，控制探測器按所需頻率曝光;對AD9826 芯片進行初始化，然后輸出AD9826 工作時鐘信號，并接收轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號并通過網(wǎng)口向上位機進行傳輸。圖3 為FPGA 控制流程圖。

圖2 硬件系統(tǒng)構成

圖3 FPGA 控制流程圖

2.1 探測器驅(qū)動設計

根據(jù)系統(tǒng)設計要求，選用的探測器型號為濱松G11620 －512DA。其像元數(shù)為512，尺寸為32 mm ×15 mm×3 mm。探測器為單通道數(shù)據(jù)輸出，工作最高時鐘頻率為1 MHz，輸出模擬信號范圍為1.2 ～2.4 V。CLK為時鐘信號，頻率為1 MHz，驅(qū)動探測器工作。

FPGA 根據(jù)探測器工作情況要求，輸出相應的驅(qū)動信號，其中RESET 為探測器曝光使能信號，當在CLK下降沿時檢測到RESET 為高電平時，探測器開始進行曝光積分;當在CLK 下降沿時檢測到RESET 為低電平時，結束探測器曝光積分，在9 個時鐘周期后將像元數(shù)據(jù)進行串行輸出。FPGA 控制信號時序如圖4 所示。

圖4 FPGA 控制信號時序

2.2 AD9826 控制設計

FBG 光纖光柵傳感器所輸出的光信號通過InGaAs探測器轉(zhuǎn)換為模擬電信號，模擬信號需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9826 進行模數(shù)轉(zhuǎn)化，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過FPGA 進行接收處理。選取的AD9826 模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片，是一款三通道、雙工作方式的A/D 芯片，其轉(zhuǎn)換速率達到15MSPS，采用分時輸出高8 位和低8 位的方法來實現(xiàn)16 位數(shù)據(jù)的輸出。根據(jù)InGaAs 探測器模擬信號的輸出形式，選用一通道SHA 模式進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。圖5 為AD9826 芯片一通道SHA 模式工作時序。

圖5 AD9826 一通道SHA 模式工作時序圖

運用FPGA 對AD9826 進行控制，在系統(tǒng)啟動前對芯片SCLK，SLOAD，SDATA 寄存器進行初始化，選定芯片工作方式。然后輸出CDSCLK2，ADCCLK 時鐘信號，其頻率均為1 MHz，相位相差90°。數(shù)字信號從AD9826 發(fā)出后，F(xiàn)PGA 采用串并轉(zhuǎn)化將分時到達的高8 位和低8 位數(shù)據(jù)進行組合，當數(shù)據(jù)累積到512 個時，即一次測量數(shù)據(jù)接收完畢，F(xiàn)PGA 將數(shù)據(jù)打包準備通過網(wǎng)口進行發(fā)送。

2.3 以太網(wǎng)口控制設計

解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)頻率可以達到1.9 kHz，每次測量的數(shù)據(jù)共計8192 bit，所以選擇百兆網(wǎng)口即可。在FPGA 中運用軟核NIOS，直接通過軟件搭建網(wǎng)口控制平臺。即運用NIOS 為FPGA 和網(wǎng)口協(xié)議芯片建立接口，數(shù)據(jù)從FPGA 進入網(wǎng)口協(xié)議芯片后，協(xié)議芯片根據(jù)TCP/IP 協(xié)議對數(shù)據(jù)進行打包后發(fā)送。

3 軟件系統(tǒng)設計

當FPGA 采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口發(fā)送至上位機后，軟件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理，圖6 為上位機程序流程圖，首先對數(shù)據(jù)進行緩存，當數(shù)據(jù)個數(shù)達到512 即一次測量的數(shù)據(jù)量時，開始查找有效像元數(shù)據(jù)，最后依據(jù)高斯擬合算法對有效數(shù)據(jù)進行處理，得到解調(diào)結果。

圖6 上位機主程序流程圖

軟件系統(tǒng)設計的核心是采取合適的波長擬合算法，計算出反射光的中心波長。尋峰算法基于高斯曲線擬合，對于光纖Bragg 光柵的反射功率譜密度曲線，理論上其強度最大值位于中心波長處，并以中心波長為軸左右對稱，曲線可以用高斯函數(shù)近似表達為

式中:H0，x0，σ2為實數(shù)常數(shù)，H0＞0。對式(1)兩邊取對數(shù)得

式(2)可化為

采用最小二乘法計算系數(shù)a，b，c。式(3)的離差平方和

為了使S 取得最小值，對式(4)中的系數(shù)a，b，c 求偏導，得方程組

式中:yi為探測器像元能量的對數(shù)值;xi為對應的像元坐標值。

解方程組(5)求得系數(shù)a，b，c。最后由a，b 可求得波長值x0為

采用回歸分析獲得的反射譜高斯擬合曲線，由于采用最小二乘法，保證了離差平方和取得最小，因此外界干擾對擬合高斯曲線的參數(shù)影響較小，各參數(shù)值主要取決于整體采樣值［4］。所以運用曲線擬合求取FBG 反射譜的Bragg 波長值具有較高的準確性。

4 實驗結果

通過實驗對該系統(tǒng)的可行性進行驗證。試驗裝置如圖1 所示，接入的FBG 光纖光柵的中心波長值分別為1523.238，1528.596，1532.697，1538.45，1543.886 nm。

最終解調(diào)結果如圖7 所示，解調(diào)出波長值分別為1523.233，1528.592，1532.700，1538.455，1543.886 nm，滿足設計要求。

整個解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)頻率達到1.9 kHz，輸出光譜形狀滿足高斯分布特點，同時在滿足耐奎斯特定理的前提下保證了波長解調(diào)的穩(wěn)定性。通過實驗結果發(fā)現(xiàn)，光譜隨時間的波動較小，信噪比高，滿足高速、高穩(wěn)定性的解調(diào)要求。

圖7 五個不同中心波長FBG 傳感器的反射光譜數(shù)據(jù)曲線

5 結論

本系統(tǒng)運用FPGA 以及上位機軟件完成了探測器驅(qū)動、探測器數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)化、高斯擬合處理、數(shù)據(jù)網(wǎng)口傳輸，實現(xiàn)了FBG 光纖光柵解調(diào)。通過實驗驗證了本解調(diào)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)1.9 kHz 高速解調(diào)，且解調(diào)精度能夠達到±5 pm，具有較高的實用價值。

［1］馮忠偉，張力，何彥璋，等. 基于衍射光柵的光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)研究［J］. 計測技術，2011，31 (4):16－18.

［2］喬學光，丁鋒，賈振安，等. 一種基于ASE 光源的邊緣濾波解調(diào)技術的研究［J］. 光電子·激光，2009，20 (9):70 －73.

［3］Gao H，Yuan S，Bo L，et al. InGaAs Spectrometer and F －P Filter Combined FBG Sensing Multiplexing Technique ［J］. J.Lightwave Technol ，2008，26 (14):82 －85.

［4］吳付崗，張慶山，姜德生，等. 光纖光柵Bragg 波長的高斯曲線擬合求法［J］. 武漢理工大學學報，2007，29 (12):116 －118.