精確檢測(cè)由各種外界參量變化引起的Bragg波長(zhǎng)微小偏移,，并簡(jiǎn)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(jiǎn)單,、性價(jià)比高的信號(hào)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(zhǎng)的編碼信號(hào),，常用解調(diào)方法有：1)直接法，即光譜儀檢測(cè)法,；2)濾波法,，包括匹配FBG可調(diào)濾波檢測(cè)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(cè)法：5)光柵色散解調(diào)法,。其中光譜儀檢測(cè)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(hào)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)?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/FPGA" title="FPGA" target="_blank">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(cè)量精度,，并能夠?qū)崟r(shí),、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)測(cè)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(cè)器PIN1和PIN2接收。光電探測(cè)器接收從匹配光纖光柵反射回來的光,，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào),，再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路和信號(hào)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(hào)處理,，另一方面通過顯示屏顯示所測(cè)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(duì)滿足的單一波長(zhǎng)光進(jìn)行反射,。只有后向反射光才能在光電探測(cè)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(dòng)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(zhǎng)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(cè)器的輸出信號(hào)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)不再匹配,，此時(shí)光電探測(cè)器某一路輸出的信號(hào)幅值下降，而另一路輸出的信號(hào)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(hào)來驅(qū)動(dòng)2個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器,，使2個(gè)匹配光纖光柵的中心波長(zhǎng)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(zhǎng)變化，直至使光電探測(cè)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(hào)檢測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)的編碼關(guān)系式即可計(jì)算出待測(cè)物理量溫度,、壓強(qiáng)或應(yīng)變等的大小達(dá)到信號(hào)解調(diào)的目的,。
    當(dāng)一束光進(jìn)入光纖布拉格光柵后，對(duì)滿足布拉格條件的光會(huì)產(chǎn)生反射,。光纖布拉格光柵反射波的中心波長(zhǎng)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(huì)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(zhǎng)發(fā)生漂移。對(duì)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(jiǎn)寫為：
   
    由式(4)可知,，dλg與dT成線性關(guān)系,，通過測(cè)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(zhǎng)應(yīng)適合光纖兩個(gè)低損耗波段,，即短波長(zhǎng)0．8～0．9μm和長(zhǎng)波長(zhǎng)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(zhǎng),，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(hào)的無源器件,。通常,，光信號(hào)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(dòng)接頭的用量,，也可用于節(jié)點(diǎn)互連與信號(hào)混合。它可在相同波長(zhǎng)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(hào)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(duì)2路電壓信號(hào)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(jiǎn)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(duì)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(chǔ)器),，豐富的I／O可以完成和外設(shè)的連接,。
2．3 信號(hào)調(diào)理電路
    信號(hào)調(diào)理電路主要完成光電轉(zhuǎn)換和小信號(hào)的放大和濾波等功能。本系統(tǒng)的光電探測(cè)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(zhǎng)附近具有良好的線性輸出；具有對(duì)數(shù)特性,，對(duì)大信號(hào)增益小,，對(duì)小信號(hào)增益大，因此可對(duì)功率在大范圍內(nèi)變化的光信號(hào)進(jìn)行響應(yīng),。光電探測(cè)器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào),，其輸出的電流通過高精密運(yùn)算放大器構(gòu)成的電路轉(zhuǎn)換為合適的電壓信號(hào)。為了使小信號(hào)電壓信號(hào)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(hào)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(hào)傳輸給下一級(jí)電路進(jìn)行處理,。
    又由于光電探測(cè)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(duì)信號(hào)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(huì)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(hào)檢測(cè)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(cè)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(huì)引入較高的噪聲,，后一級(jí)放大器將對(duì)前一級(jí)放大器輸出的信號(hào)和引入的噪聲同時(shí)進(jìn)行放大,，因此信噪比不會(huì)得到改善，本系統(tǒng)中要探測(cè)的光電流信號(hào)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(chǎng)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(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。光電探測(cè)器輸出的光電流信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行二次放大,，二級(jí)放大電路選用高精密運(yùn)算放大器OP07構(gòu)成,。其二級(jí)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(cè)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(cè)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(zhǎng)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(duì)FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)和處理,。解調(diào)系統(tǒng)軟件由以初始化子程序、PZT驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)的曲線擬合,，保證了測(cè)量的高精度。因?yàn)檫@種動(dòng)態(tài)擬合曲線去除了由于光強(qiáng)抖動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)光纖光柵傳感器在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用,?；诖耍接懥?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(zhǎng)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(tái)；
    3)通過FPGA對(duì)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(hào)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,。