摘要: 光纖光柵的傳感信息是采用波長編碼的方式進行的，解調的關鍵就是把傳感信息從波長編碼中完整地解調出來。文中介紹的光柵解調系統采用F － P 濾波器對ASE 光源進行掃描; 采用FPGA 作為控制核心; 采用DM9000A 完成網絡接口設計，在FPGA 內部實現了對光柵傳感信號質心解調算法的程序設計和以太網接口控制程序的設計，FPGA 具有多通道高速同步解算的能力，在對F － P 濾波器500 Hz 的掃描速率下，很好地實現了光纖光柵波長的同步實時解算。解調系統的解調精度可達到2 pm 左右。

0 引言

各類光纖光柵傳感器中，準分布式光纖Bragg 光柵( FBG) 傳器陣列應用最為廣泛，其特點主要在于以反射光中心波長( Bragg 波長) 為測量量，不受光源功率波動、光纖微彎效應及耦合損耗等因素的影響。光纖布拉格光柵作為波長調制型傳感器，將被測信息轉化為布拉格光柵中心波長的移動，通過從測得的光信號中解調出中心波長漂移，就可實現對被測信息的測量。而目前對光柵波長隨著外界被測物理量微小變化的檢測，最常用的方法包括邊緣濾波器法、可調諧濾波器法、以及基于可調諧半導體激光器或掃描光纖激光器的解調方法等，信號處理方法又包括直接比較法、質心法( 又叫功率加權法) 、高斯擬合法等，同時還有結合數字濾波的解調方法等［1］。設計一種基于以掃描光纖激光器設計的光柵傳感系統，將信號用12 位A/D 采集模塊采入計算機，通過高性能FPGA 可編程器件實現質心法信號處理，然后通過網口把解算結果輸出到PC 機并加以顯示。

1 系統總體設計

光纖光柵解調系統主要由傳感光路與FPGA 采集處理電路2 部分組成，如圖1 所示。

其主要工作原理: 在由FPGA 控制板產生的鋸齒波及ASE光源驅動下，由F － P 濾波器構成的掃描光纖激光器發出激光，激光器波長的掃描通過在濾波器上加由FPGA 產生原始三角波控制D/A 輸出的高壓三角波實現。其輸出的光經光纖耦合器分成2 份，1份用于實時校準，用帶波長標記的FP 標準具實現掃描激光波長的實時校準［2］，保證波長重復精度，其輸出的光直接接到光電探測器( PD) ; 1 份用于光柵解調通道。在光柵解調通道，將傳感光柵的反射光耦合到PD。各探測器輸出的信號由A/D 轉換器量化后直接由FPGA 進行質心法波長解調算法處理，處理后得到的數據再通過以太網接口傳輸到計算機進行進一步的解算、存儲和顯示。

2 質心法波長檢測原理

質心原理［3］是根據力矩平衡原理推導出來的，即密度均勻物體各點的質量對某一軸產生的力矩和，等于其所有質量集中在某一特定位置時對該軸產生的力矩，該特定位置就是物體的質心，可表示為式( 1) :

?

3 系統設計的FPGA 實現

FPGA 采集處理電路的硬件組成如圖2 所示。

圖中，PGA 硬件電路主要完成LVDS 接口的處理、算法的實現、FIFO 的控制、時鐘管理模塊的處理、三角波信號生成以及以太網的控制等。而FPGA 控制、解算模塊是設計中的重要環節，它控制著信號的質心解算、以太網接口等。

3． 1 質心法的設計與實現

質心法實時解算模塊電路主要完成在每個掃描周期內對A/D 實測數據的實時判斷與解算功能。質心法的關鍵是設置每個通道的閾值，只有選取合適的閾值才能較為準確地找出峰值起點，同時降低測試信號底部噪聲所帶來的起點誤判。系統上電后，首先由比較器對A/D 值與閾值進行實時對比，當大于閾值時啟動解算過程，小于超過N 個值時停止解算，同時給出中斷標志，并由中斷處理器完成最后的數據整理與緩存，中斷處理程序主要完成解算結果數據、幀頭標志的中斷寫FIFO 功能; 解算結果包括起始值、累加和( 式( 2) 中的分母部分) 、乘積累加和( 式( 2) 中的分子部分) 。圖3 和圖4 分別為質心法累加與乘積累加求和狀態流程圖和中斷處理流程圖。

3． 2 以太網控制的實現

系統上電后，FPGA 通過總線配置DM9000AEP［4］內部寄存器，完成DM9000AEP 的初始化。隨后，DM9000AEP 進入數據收發等待狀態。當FPGA 向以太網發送數據時，FPGA 啟動以太網發送程序，將解調數據發送到DM9000AEP，完成數據發送過程。當DM9000AEP 接收外部網絡送來的以太網數據時，網絡工作站把控制指令按照一定的幀格式組幀發送到以太網，DM9000AEP 接收到發給自己的以太網幀并通知FPGA 啟動以太網接收程序，FPGA 將相應的數據從DM9000AEP 的接收FIFO 讀出，完成數據接收過程。

FPGA 的控制程序分為3 部分: 以太網控制芯片的初始化部分，數據包發送和數據包接收。圖5 給出了以太網數據包收發流程圖。

4 系統驗證

4． 1 試驗數據的采集

FPGA 輸出三角波驅動電壓數字量，經D/A 數模轉換后變成模擬量，對F－P 濾波器進行掃描，FPGA 輸出的驅動電壓V與F－P 濾波器輸出的窄帶光波λ 存在一一對應的關系。F－P濾波器輸出的光耦合器分成2 份，一份經過傳感光柵反射，一份經過標準具。其反射光和標準具輸出的光強與驅動電壓的相對關系如圖6 所示。

雖然FPGA 輸出驅動電壓V 與F － P 濾波器輸出的窄帶光波λ 存在一一對應的關系，但由于時間和環境的變化，其對應關系也會發生相應的變化，因此在每次測量時都要實時的確定出其對應關系。采用標準具的輸出波長對V － λ 曲線進行標定，并將其實時的發送到上位機，以便準確的進行傳感光柵布拉格波長的計算。

4． 2 質心法計算波長

在試驗中，光纖光柵傳感陣列是由燒制在同一段光纖上的1 540. 78 nm 和1 551. 87 nm 兩個波段的光纖光柵組成。在調整好F－P 濾波器的驅動電壓以后，FPGA 采集處理電路將采集到得傳感光信號和標準具的光信號進行處理來獲得傳感光信號的布拉格波長。采用FPGA 質心算法實現波峰檢測算法，具體步驟如下:
( 1) FPGA 采集處理電路分別將兩個光路的( V，I) 數據組進行放大后輸入A/D 采樣電路部分;

( 2) FPGA 把兩路A/D 采樣得到的數據組，根據預設置的閥值，確定計算的起始點和結束點，并進行質心算法的解算，然后把解算結果通過以太網接口輸出到上位機;

( 3) 上位機接收到解算后的數據后，對兩路光信號的結算結果分別進行處理，標準具光路根據標準具布拉格波長中MARK 點的位置來確定V － λ 關系，然后傳感光路再根據標準具的V － λ 關系來算出各個傳感光柵的布拉格波長，并將結果顯示出來。

4． 3 試驗結果

在整個實驗過程中，D/A 實際產生的F － P 調諧濾波器三角波調制信號的頻率為500 Hz，A/D 芯片在每個調制周期內對應光信號的實際采樣率為30 MHz，即每個波形周期時間內的采樣點接近60 000個。試驗結果如圖7 所示，圖7 給出了在常溫條件下，光柵不受任何應力的情況下，雙光柵信號的解算結果。可以看出質心法波長解算結果的波長值的波動范圍在2 pm 左右，具有很高的可靠性。

5 結束語

波峰檢測是光纖布拉格光柵傳感技術的核心，因為波長檢測的精度直接影響到整個測量系統的精度。簡單闡述了質心法波峰檢測方法，并從理論和實驗兩個方面進行了說明。系統的主要控制器采用Virtex － 4 系列FPGA，它有多達200 000 個邏輯單元，在控制及數字處理方面有獨特的優點。而采用以太網接口進行數據傳輸，可以達到很高的傳輸速率。采用基于以太網接口和FPGA 的光柵解調系統具有解算速度快、解算精度高等特點，可廣泛應用于光纖光柵傳感領域。