光纖布拉格光柵（FBG）是國際上新興的一種在光纖通訊、光纖傳感等光電子處理領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景的基礎(chǔ)性光纖器件。當(dāng)前FBG的制作與應(yīng)用研究成為世界各國光纖技術(shù)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。作為傳感元件，光纖光柵將被感測信息轉(zhuǎn)化為其反射波長的移動(dòng)，即波長編碼，因而不受光源功率波動(dòng)和系統(tǒng)損耗的影響。另外，光纖光柵具有可靠性好、抗電磁干擾、抗腐蝕等特點(diǎn)，易于將多個(gè)光纖光柵串聯(lián)在一根光纖上構(gòu)成光纖光柵陣列，實(shí)現(xiàn)分布式傳感，這是其他傳感元件所不及的。FBG傳感器的關(guān)鍵就在于的檢測Bragg反射波長的微小移動(dòng)，即對波長編碼信號進(jìn)行解調(diào)。目前國內(nèi)外已研究出高、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)镕PGA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量，并能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)測量。

　　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，反射光被光電探測器PIN1和PIN2接收。光電探測器接收從匹配光纖光柵反射回來的光，把光信號轉(zhuǎn)換成微弱的電信號，再經(jīng)過信號調(diào)理電路和信號采集電路輸入給FPGA處理。FPGA將采集的數(shù)據(jù)一方面進(jìn)行信號處理，另一方面通過顯示屏顯示所測的數(shù)據(jù)結(jié)果。

　　1.2 工作原理

　　圖1所示的系統(tǒng)中，F(xiàn)BG僅對滿足的單一波長光進(jìn)行反射。只有后向反射光才能在光電探測器上產(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，因此光電探測器的輸出信號幅值，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的峰值反射波長不再匹配，此時(shí)光電探測器某一路輸出的信號幅值下降，而另一路輸出的信號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的波長變化，直至使光電探測的2路輸出幅值達(dá)到為止。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檢測中的雙值問題。記錄此時(shí)輸出的電壓大小，根據(jù)輸出電壓與波長漂移的擬合曲線，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)傳感器外界物理量與波長的編碼關(guān)系式即可計(jì)算出待測物理量溫度、壓強(qiáng)或應(yīng)變等的大小達(dá)到信號解調(diào)的目的。

　　當(dāng)一束光進(jìn)入光纖布拉格光柵后，對滿足布拉格條件的光會產(chǎn)生反射。光纖布拉格光柵反射波的中心波長為：

　　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發(fā)生漂移。對式（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)可以簡寫為：

　　由式（4）可知，dλg與dT成線性關(guān)系，通過測量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)射光波長應(yīng)適合光纖兩個(gè)低損耗波段，即短波長0.8~0.9μm和長波長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，穩(wěn)定性高，互換性好。

　　光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。光電耦合器的種類較多，常見有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達(dá)林頓型、集成電路型等。如下圖1（外形有金屬圓殼封裝，塑封雙列直插等）。在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換。

　　2.2 A/D轉(zhuǎn)換器和FPGA器件選型

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，或簡稱ADC,通常是指一個(gè)將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的電子元件。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個(gè)輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號。由于數(shù)字信號本身不具有實(shí)際意義，僅僅表示一個(gè)相對大小。故任何一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個(gè)參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見的參考標(biāo)準(zhǔn)為的可轉(zhuǎn)換信號大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。模數(shù)轉(zhuǎn)換過程包括量化和編碼。量化是將模擬信號量程分成許多離散量級，并確定輸入信號所屬的量級。編碼是對每一量級分配的數(shù)字碼，并確定與輸入信號相對應(yīng)的代碼。普通的碼制是二進(jìn)制，它有2n個(gè)量級（n為位數(shù)），可依次逐個(gè)編號。模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法很多，從轉(zhuǎn)換原理來分可分為直接法和間接法兩大類。 直接法是直接將電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。它用數(shù)模網(wǎng)絡(luò)輸出的一套基準(zhǔn)電壓，從高位起逐位與被測電壓反復(fù)比較，直到二者達(dá)到或接近平衡。

　　采集電路是實(shí)現(xiàn)模擬信號數(shù)字化的電路，其模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器是采集電路的。系統(tǒng)對2路電壓信號同時(shí)采集?？紤]到系統(tǒng)的速度、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)容地址存儲器），豐富的I/O可以完成和外設(shè)的連接。

　　2.3 信號調(diào)理電路

　　信號調(diào)理電路主要完成光電轉(zhuǎn)換和小信號的放大和濾波等功能。本系統(tǒng)的光電探測器采用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的波長附近具有良好的線性輸出；具有對數(shù)特性，對大信號增益小，對小信號增益大，因此可對功率在大范圍內(nèi)變化的光信號進(jìn)行響應(yīng)。光電探測器是將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?，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。為了使小信號電壓信號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傳輸給下電路進(jìn)行處理。

　　又由于光電探測器靈敏度低、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信號進(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)載的變化會引起電源噪聲。此外，前置放大電路還應(yīng)該起到限度抑制噪聲的作用，以獲得的信噪比。前置放大器的部分是運(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。

　　作為光信號檢測中的關(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，放大器本身會引入較高的噪聲，后放大器將對前放大器輸出的信號和引入的噪聲同時(shí)進(jìn)行放大，因此信噪比不會得到改善，本系統(tǒng)中要探測的光電流信號很微弱，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)該起到限度抑制噪聲的作用，以獲得的信噪比。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量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。光電探測器輸出的光電流信號經(jīng)過前置放大器后，實(shí)現(xiàn)了電流-電壓的轉(zhuǎn)換和放大，但是為了滿足后續(xù)電路的需要，必須對信號進(jìn)行二次放大，二級放大電路選用高精密運(yùn)算放大器OP07構(gòu)成。其二級放大電路如圖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偏移量。為了提高解調(diào)系統(tǒng)的，需要大量的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，可對FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲器的外擴(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，保證了測量的高。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；

　　3）通過FPGA對拉格朗日插值曲線擬合，實(shí)現(xiàn)了一種高的解調(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)用主要的障礙依然是傳感信號的解調(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。