目前光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)主要有：(1)基于單片機的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)[1]，原理是用A/D實現(xiàn)對光電轉(zhuǎn)換信號的檢測和采集,，用D/A實現(xiàn)對F-P的驅(qū)動電壓,，利用單片機實現(xiàn)算法的運行，但運行速度慢,，無法滿足速度和精度要求,；(2)基于DSP+CPLD的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)[2]，該系統(tǒng)結(jié)合了DSP較好的信號處理能力和CPLD擴充I/O口來實現(xiàn)對外圍設(shè)備的控制等功能,，但其接口類型單一,，功能性不強。目前,，國外高精度,、高分辨率的光纖光柵傳感解調(diào)器已經(jīng)研發(fā)成功,，但價格昂貴，在工程應(yīng)用中受到了限制,。在國內(nèi),，這方面的研究成果及實際應(yīng)用都不是很完善，尤其缺乏高性能的分布式光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng),。

    綜上所述,，研究開發(fā)出一套高精度、能夠準(zhǔn)確進(jìn)行多點同時測量的低成本,、高性能的FBG傳感解調(diào)系統(tǒng)十分必要,。本文結(jié)合嵌入式技術(shù)[3-4]，提出一種基于ARM的光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng),，以可靠性高,、片上資源豐富的嵌入式微處理器ARM作為系統(tǒng)的核心部件，以從數(shù)據(jù)采集到分析處理到最終的顯示過程完全獨立運行的輸入/輸出設(shè)備為外圍設(shè)備,。此外還提供豐富的接口類型,，能夠滿足串口、USB通信的需要,，使其在性能和功能應(yīng)用方面更加完善,，為解調(diào)系統(tǒng)實用化和產(chǎn)品化奠定了基礎(chǔ)。
1 FBG傳感機理及系統(tǒng)組成
    FBG是一種在光纖纖芯內(nèi)介質(zhì)折射率呈周期性調(diào)制的光纖無源器件[5],。當(dāng)外界被測物理量作用在FBG上時,，F(xiàn)BG反射回一個窄帶光波，其布拉格波長λB滿足：
    λB=2neff∧                           (1)
其中,，neff為光纖纖芯的有效折射率,；∧為光柵周期。
    外界溫度或應(yīng)變的變化會影響光纖光柵的折射率調(diào)制周期和纖芯折射率,，從而引起反射波長的變化,，解調(diào)系統(tǒng)通過檢測這種偏移實現(xiàn)對外部環(huán)境的傳感，這是光纖光柵的基本工作原理,。在FBG傳感檢測系統(tǒng)中,，通常采用可調(diào)諧F-P濾波器來實現(xiàn)FBG反射光譜的解調(diào)，之后通過光電轉(zhuǎn)換將光譜信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并經(jīng)過數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)處理最終實現(xiàn)FBG反射譜中心波長的檢測[6-8],。FBG傳感系統(tǒng)如圖1所示。

    由光電檢測所得到的FBG反射譜信號首先通過ARM系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換模塊完成數(shù)據(jù)采集后進(jìn)入濾波模塊,，通過數(shù)字濾波程序?qū)π盘栠M(jìn)行濾波以提高信號的信噪比,；然后通過波峰檢測程序?qū)Σㄐ芜M(jìn)行峰值的粗略定位并在峰值點附近選取若干點進(jìn)行擬合，從而得到擬合曲線的最大值,，即中心波長的位置,；最后將得到的峰值波長及其他相關(guān)的數(shù)據(jù)通過ARM系統(tǒng)的串口傳遞給計算機上的上位機軟件進(jìn)行顯示,。
    目前，中心波長的偏移量的測量精度應(yīng)優(yōu)于0.01 nm的量級[9],，這樣才能準(zhǔn)確地檢測到溫度和應(yīng)變等外界環(huán)境的變化,。因此，在整個解調(diào)系統(tǒng)的實現(xiàn)中,，濾波和尋峰等信號處理過程仍然是關(guān)鍵,。傳統(tǒng)的信號處理方法雖然能實時準(zhǔn)確地處理信號，但所需電路規(guī)模較大,。而使用軟件系統(tǒng)相對簡單,，可以實現(xiàn)系統(tǒng)集成并且有利于降低每個系統(tǒng)節(jié)點的成本。因此,，本文選擇ARM嵌入式系統(tǒng)以及軟件編程來實現(xiàn)濾波和尋峰算法,。
2.1 濾波算法及其實現(xiàn)
    濾波的主要目的是盡可能地去除反射譜中的各種噪聲信號，F(xiàn)BG反射譜濾波處理經(jīng)典方法有滑動平均濾波,、中值濾波,、中值平均濾波等，在ARM中嵌入濾波算法,，能夠?qū)崟r高效地對信號進(jìn)行處理,，無需人工干預(yù)即可自主運行，并且可以對軟件進(jìn)行重復(fù)設(shè)計,，以實現(xiàn)功能擴展,。
    各濾波算法的性能可以通過下式來評價[10]：
  

    對上述3種算法濾波前后的細(xì)節(jié)進(jìn)行對比，其中滑動平均濾波N=12,，中值濾波N=11,，中值平均濾波N=11時濾波效果最明顯。通過對三者進(jìn)行對比分析可得,，滑動平均濾波SNR′=16.44,，MSE′=3.634；中值濾波SNR′=16.065,，MSE′=3.793,；中值平均濾波SNR′=16.383，MSE′=3.656,。
    滑動平均濾波能較好地抑制周期性干擾，平滑度高,，適合于高頻振蕩系統(tǒng),，但對偶然出現(xiàn)的脈沖干擾抑制效果較差；中值濾波能有效克服因偶然因素引起的波動干擾,，對因溫度,、液位變化的被測參數(shù)有良好的濾波效果,；中值平均濾波融合了兩種濾波算法的優(yōu)點，消除了由脈沖干擾引起的采樣值偏差,。
    綜合考慮,，本系統(tǒng)選用中值平均濾波法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，光譜數(shù)據(jù)為(x1,，x2,，…，xn),，采樣窗口長度為N=11,，其軟件實現(xiàn)的流程圖如圖6所示。

2.2 尋峰算法及其實現(xiàn)
    尋峰過程主要包括波峰檢測和擬合處理,。光譜數(shù)據(jù)經(jīng)濾波后,，噪聲數(shù)據(jù)大部分被去除，但數(shù)據(jù)量大的問題依然存在,。為了提高數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)運行速度,，需要通過閾值設(shè)定對一些數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，并通過譜峰粗定位確定每個中心波長的粗略區(qū)域,。擬合處理的目的是求取反射譜準(zhǔn)確的中心波長位置,，這里采用高斯擬合法，其原理是對信號進(jìn)行擬合處理,，通過減小誤差達(dá)到尋峰的最佳位置,。
    波峰檢測主要由閾值設(shè)定、譜峰粗定位兩部分構(gòu)成,。這里取閾值為光譜的半功率點,，對小于該閾值的點進(jìn)行剔除，同時對滿足閾值條件的點進(jìn)行存儲,，從而對數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化,。峰值粗定位主要是在每個分峰中通過比較確定峰值的粗略位置，在峰值兩側(cè)各取合適的數(shù)據(jù),，從而確定各點對應(yīng)的坐標(biāo),，為之后的擬合處理做好準(zhǔn)備。
  
3 系統(tǒng)測試及結(jié)果
    系統(tǒng)選用三星公司的16/32位精簡指令集微處理器S3C2440A作為系統(tǒng)的硬件核心,，以ARM920T為內(nèi)核,，主頻最高可達(dá)400 MHz，采用0.13 μm的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲單元,，同時系統(tǒng)選用了μC/OS-II為嵌入式實時操作系統(tǒng),。在μC/OS-II操作系統(tǒng)上，將編寫調(diào)試好的各信號處理程序下載到系統(tǒng)中,，完成系統(tǒng)解調(diào)功能,。經(jīng)ARM解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)的信號通過串口輸入到PC,，并通過LabVIEW編寫的上位機軟件顯示系統(tǒng)運行結(jié)果，界面如圖7所示,。界面主要分為數(shù)據(jù)采集區(qū)和信號解調(diào)區(qū)兩部分,。數(shù)據(jù)采集區(qū)主要顯示采集的原始數(shù)據(jù)波形、濾波后的波形及濾波前后的數(shù)據(jù)波形對比,；信號解調(diào)區(qū)主要實現(xiàn)信號尋峰擬合后的波形,、中心波長解調(diào)及對比分析結(jié)果。

    在系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)上,，完成了系統(tǒng)的相關(guān)測試工作,。由于光纖光柵的中心波長隨溫度的變化而變化，為了測試工作的便捷性及準(zhǔn)確性,，根據(jù)光纖光柵反射譜信號的特征,，本文利用虛擬儀器LabVIEW軟件和數(shù)據(jù)采集卡來產(chǎn)生模擬的光柵反射譜測試信號。
    實驗測試中,，在波長1 524～1 540 nm范圍內(nèi)產(chǎn)生了中心波長為1 526.078 nm,、1 530.526 nm、1 534.921 nm,、1 537.066 nm的4個峰的反射譜信號,，并在反射譜中加入固有干涉噪聲和適當(dāng)?shù)母咚拱自肼暋７瓷渥V信號如圖8所示,。

    解調(diào)系統(tǒng)運行結(jié)果分析如下：
    (1)噪聲：采集的原始波形中含有很多噪聲,，除FBG仿真信號加入的干涉噪聲和高斯白噪聲外，還有電路連接中產(chǎn)生的噪聲,。從濾波前后的波形對比可以看出,，噪聲的影響得到了有效的抑制，說明濾波效果良好,。
    (2)信號解調(diào)區(qū)：經(jīng)過采集和濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)入解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行波峰檢測,、擬合算法等流程。為了驗證系統(tǒng)的可靠性,，通過多次運行來計算系統(tǒng)誤差,，并取4組數(shù)據(jù)與反射譜的4個中心波長1 526.078 nm、1 530.526 nm,、1 534.921 nm,、1 537.066 nm進(jìn)行對比，如表1所示,?？梢钥闯觯到y(tǒng)誤差在±10 pm左右，達(dá)到了尋峰的預(yù)期仿真結(jié)果,。

    本文采用了基于ARM的FBG信號解調(diào)系統(tǒng)，通過對整個系統(tǒng)的搭建以及軟硬件的聯(lián)合完成了整個系統(tǒng)的調(diào)試,。實驗結(jié)果表明,，在保證系統(tǒng)解調(diào)精度和速度的前提下，基于ARM的FBG傳感信號解調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)了對采集數(shù)據(jù)的實時處理,，成功解調(diào)出FBG傳感信號,，與理論仿真分析結(jié)果相吻合，系統(tǒng)運行穩(wěn)定,，能夠?qū)崿F(xiàn)解調(diào)系統(tǒng)的小型化和實時性,。但設(shè)計仍有不盡完善之處，下一步要優(yōu)化算法的性能,，并用ARM自帶的LCD控制器來直觀地動態(tài)顯示解調(diào)數(shù)據(jù)波形圖,，為解調(diào)系統(tǒng)的實用化奠定基礎(chǔ)。
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