基于FPGA的光纤光栅解调系统的研究

精确检测由各种外界参量变化引起的Bragg波长微小偏移，并简洁显示，是与光纤Bragg光栅传感器在工程技术中的商用化息息相关。一个高精度、稳定、操作简单、性价比高的信号解调系统是FBG传感器设计的关键。
由于光纤光栅传感器的关键技术是解调传感器反射波长的编码信号，常用解调方法有：1)直接法，即光谱仪检测法；2)滤波法，包括匹配FBG可调滤波检测法边缘滤波法可调谐F-P滤波法；3)干涉法，包括非平衡M-z干涉法，非平衡迈克尔逊干涉法；4)可调光源解调法，包括锁模法可调窄带光源检测法：5)光栅色散解调法。其中光谱仪检测法中的光谱仪体积庞大，结构复杂，携带不便，使用时需反复校准，且高精度光谱仪价格昂贵，基于干涉法建立的信号解调系统最大缺点是扫描速度慢，并且价格偏高。上述解调方法共同的缺点是分辨率不高，成本高。而匹配解词法具有分辨率较高、解调速度快、重复性好、成本低等优点，应用广泛。目前国内外已研究出高精度、高分辨率的光纤光栅传感器解调仪，但价格昂贵，很难在实际工程中得到广泛应用。为了使光纤传感器应用广泛，首先就是降低成本，又因为FPGA的时钟频率高，内部时延小，全部控制逻辑由硬件完成，速度快效率高，适于大数据量的高速传输控制；组成形式灵活，可以集成外围控制，译码和接口电路。于是把FPGA引入到实际解调电路中。因此，开发了一个基于FPGA的光纤光栅解调系统。该系统采用双匹配光栅为调谐元件，具有较高的分辨率和测量精度，并能够实时、准确地实现测量。

1 基于双匹配光纤光栅解调技术的解调系统
1．1 系统装置
本系统采用双匹配光纤光栅并联解调法解调光纤光栅传感信息，其工作原理如图1所示。宽带光源(BBS)发出的光经过3 dB耦合器1入射到传感光纤光栅FBG1，透射光被折射率匹配液吸收，只有满足Bragg条件的光才被反射回来，再次经3 dB耦合器2进入3 dB耦合器3和3 dB耦合器4，到达并联的2个匹配光栅FBG2和FBG3。通过FBG2和FBG3的透射光被折射率匹配液吸收，反射光被光电探测器PIN1和PIN2接收。光电探测器接收从匹配光纤光栅反射回来的光，把光信号转换成微弱的电信号，再经过信号调理电路和信号采集电路输入给FPGA处理。FPGA将采集的数据一方面进行信号处理，另一方面通过显示屏显示所测的数据结果。

1．2 工作原理
图1所示的系统中，FBG仅对满足的单一波长光进行反射。只有后向反射光才能在光电探测器上产生强输出。匹配光纤光栅FBG2和FBG3是FPGA通过2个压电陶瓷驱动器来调谐的。当并联的2个匹配光纤光栅处于自由态时，使得2个匹配光纤光栅的至少1路与传感光纤光栅FBG1的峰值反射波长相同，此时没有光透过匹配光纤光栅，光全部被反射，因此光电探测器的输出信号幅值最大，此时FPGA输出一个固定的电压，使匹配光纤光栅的中心波长不再变化。当传感光纤光栅FBG1因外界物理量温度或应变等，使中心波长发生变化时，匹配光纤光栅FBG2或者FBG3与传感光纤光栅FBG1的峰值反射波长不再匹配，此时光电探测器某一路输出的信号幅值下降，而另一路输出的信号幅值可能下降也可能上升。芯片通过周期性变化的锯齿波电压信号来驱动2个压电陶瓷驱动器，使2个匹配光纤光栅的中心波长同时发生变化，这2个匹配光纤光栅同时跟踪传感光纤光栅FBG1的波长变化，直至使光电探测的2路输出幅值达到最大为止。在原理上增强了系统的可靠性，同时克服了匹配滤波法信号检测中的双值问题。记录此时输出的电压大小，根据输出电压与波长漂移的拟合曲线，进行数据处理，最后根据传感器外界物理量与波长的编码关系式即可计算出待测物理量温度、压强或应变等的大小达到信号解调的目的。
当一束光进入光纤布拉格光栅后，对满足布拉格条件的光会产生反射。光纤布拉格光栅反射波的中心波长为：

式中neff为光纤光栅的有效折射率，A为光栅周期。
外界环境温度、压力的变化都会使neff和A发生变化，从而导致光纤光栅反射波的中心波长发生漂移。对式(1)两边的温度求导，可得：
令，为光纤的热光系数，描述光纤折射率随温度的变化关系；令为光纤的热膨胀系数，描述光纤受热膨胀所引起的光纤光栅周期的变化与温度的关系。
则式(3)可以简写为：

由式(4)可知，dλg与dT成线性关系，通过测量dλg就可以确定温度T。

2 解调系统的硬件设计
2．1 光源和3dB耦合器的选择
光源的特性决定光纤系统是否达到预计的指标。作为光源的发光器件应该满足以下条件：
1)体积小，发光面积应与光纤芯径的尺寸相匹配，而且光源和光纤之间应有较高的耦合效率；
2)发射光波长应适合光纤两个低损耗波段，即短波长0．8～0．9μm和长波长1．2～1．6μm；
3)直接进行光强度调制，且与调制器的连接方便；
4)可靠性高，工作寿命长，稳定性高，互换性好。