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域有著廣泛應用前景的基礎性光纖器件。當前FBG的制作與應用研究成為世界各國光纖技術(shù)研究的熱點和重點。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，即波長編碼，因而不受光源功率波動和系統(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，易于將多個光纖光柵串聯(lián)在一根光纖上構(gòu)成光纖光柵陣列，實現(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，即對波長編碼信號進行解調(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，但價格昂貴，很難在實際工程中得到廣泛應用。為了使光纖傳感器應用廣泛，首先就是降低成本，又因為FPGA的時鐘頻率高，內(nèi)部時延小，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引入到實際解調(diào)電路中。因此，開發(fā)了一個基于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、準確地實現(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進入3 dB耦合器3和3 dB耦合器4,到達并聯(lián)的2個匹配光柵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行反射。只有后向反射光才能在光電探測器上產(chǎn)生強輸出。匹配光纖光柵FBG2和FBG3是FPGA通過2個壓電陶瓷驅(qū)動器來調(diào)諧的。當并聯(lián)的2個匹配光纖光柵處于自由態(tài)時，使得2個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FPGA輸出一個固定的電壓，使匹配光纖光柵的中心波長不再變化。當傳感光纖光柵FBG1因外界物理量溫度或應變等，使中心波長發(fā)生變化時，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2個壓電陶瓷驅(qū)動器，使2個匹配光纖光柵的中心波長同時發(fā)生變化，這2個匹配光纖光柵同時跟蹤傳感光纖光柵FBG1的波長變化，直至使光電探測的2路輸出幅值達到為止。在原理上增強了系統(tǒng)的可靠性，同時克服了匹配濾波法信號檢測中的雙值問題。記錄此時輸出的電壓大小，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)系式即可計算出待測物理量溫度、壓強或應變等的大小達到信號解調(diào)的目的。

　　當一束光進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，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)的硬件設計

　　2.1 光源和3dB耦合器的選擇

　　光源的特性決定光纖系統(tǒng)是否達到預計的指標。作為光源的發(fā)光器件應該滿足以下條件：

　　1）體積小，發(fā)光面積應與光纖芯徑的尺寸相匹配，而且光源和光纖之間應有較高的耦合效率；

　　2）發(fā)射光波長應適合光纖兩個低損耗波段，即短波長0.8~0.9μm和長波長1.2~1.6μm;

　　3）直接進行光強度調(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，光的強度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現(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)換器是將一個輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為一個輸出的數(shù)字信號。由于數(shù)字信號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小。故任何一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標準，比較常見的參考標準為的可轉(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的代碼。普通的碼制是二進制，它有2n個量級（n為位數(shù)），可依次逐個編號。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)絡輸出的一套基準電壓，從高位起逐位與被測電壓反復比較，直到二者達到或接近平衡。

　　采集電路是實現(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計。

　　此系統(tǒng)采用ALTERA公司優(yōu)性價比的Cyclone系列EP1CQ240C8.EP1CQ240C8內(nèi)部有LE 5 980個，PLL2個，185個I/O端口。利用PLL可完成對輸入分頻、倍頻、占空比的設定、特定的相移，非常方便。把輸入時鐘必須分給全局時鐘引腳。EP1CQ240C8內(nèi)部有RAM 92 160 bit,可以實現(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、響應度高、響應速度快、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)變化的光信號進行響應。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行放大。首先從去噪角度上考慮前置放大電路的設計，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載的變化會引起電源噪聲。此外，前置放大電路還應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算放大器，應盡量選擇具有高的輸入電阻、小的失調(diào)電流的高性能運算放大器。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光檢測系統(tǒng)的性能。如果采用一般的放大器進行放大，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進行放大，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)設計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，所以在很多應用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點，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，必須對信號進行二次放大，二級放大電路選用高精密運算放大器OP07構(gòu)成。其二級放大電路如圖3.

　　3 解調(diào)系統(tǒng)的軟件設計

　　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，可通過試驗的方法，測出一組典型數(shù)據(jù)，用曲線擬合算法進行擬合計算，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)處理和計算，可對FPGA進行數(shù)據(jù)存儲器的外擴，或通過串口把數(shù)據(jù)傳輸給上位機進行數(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。

　　借助引入標準光柵的解調(diào)方案，提出了一種實時計算擬合曲線的方法，實現(xiàn)了動態(tài)的曲線擬合，保證了測量的高。因為這種動態(tài)擬合曲線去除了由于光強抖動等產(chǎn)生的隨機誤差，同時，這樣還可以在相當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個點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，就能夠推動光纖光柵傳感器在實際工程中得到廣泛應用。基于此，探討了3大問題：

　　1）設計出了一種基于FPGA系統(tǒng)的光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)，從理論和實驗的角度分析了系統(tǒng)的可行性；

　　2）采用FPGA設計了解調(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，并且有效地擴大了解調(diào)范圍。

　　目前限制光纖光柵傳感器大量實際應用主要的障礙依然是傳感信號的解調(diào)。因此，研究開發(fā)適用于實際工程應用的解調(diào)系統(tǒng)，降低成本，是光纖光柵傳感器在實際工程應用中得到推廣的至關(guān)重要的課題。