基于FPGA 的FBG 光纤光栅解调系统

何彦璋，隋广慧，常欢，申雅峰，张磊

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

光纤光栅的反射或透射谱的中心波长受应变、温度等因素的影响而发生变化，波长的变化量同应变和温度等因素具有确定的关系，因此波长解调是光纤光栅传感系统的核心技术之一。根据基本原理的差异，解调技术可以分为滤波器法、衍射光栅分光、干涉法及扫描光源法等，其中衍射光栅分光法利用光栅的分光特性，将不同波长的光束在空间展开后通过光电探测器进行检测，该方法可以达到1 pm 的波长分辨力，同时具有较高的环境适应性，在航空、航天、建筑等领域具有重要的应用前景［1－3］。

本文介绍了基于FPGA 的FBG 光纤光栅传感系统，运用FPGA 芯片控制InGaAs 探测器曝光、数据传输以及AD9826 模数转换芯片工作，通过网口将转换数据发送至上位机，最后依靠上位机软件实现高斯拟合算法，对采集数据进行处理获得解调结果。

1 FBG 传感解调系统工作原理

基于FPGA 的FBG 传感解调系统如图1 所示，宽带光源发出的光经过隔离器，进入环形器，环形器一端接光纤光栅，反射信号由环形器的另一端输出，经过准直透镜进入装置，由双光栅衍射分光，非球面反射镜成像在InGaAs 线阵探测器上。探测器将光信号转换为模拟电信号，模拟电信号通过AD9826 转换为便于FPGA 处理的数字信号，经过FPGA 处理后，信号通过以太网发送至上位机进行高斯拟合，最终得到解调结果。整个解调系统分为硬件系统和软件系统两大组成部分。

图1 基于FPGA 的FBG 传感解调系统原理

2 硬件系统设计

FBG 光纤光栅解调系统硬件部分:通过探测器将传感器发出的光信号转化为模拟电信号，然后通过AD9826 进行模数转换，最后FPGA 将数字信号通过以太网口进行发送至上位机。图2 为硬件系统构成示意图。FPGA 芯片为Stratix II 系列的EP2S60F1020C4。芯片为Stratix 系列的中档器件采用BGA 的封装形式，包含48352 个ALUTs、1024 个管脚、2.5 Mbit 的片上RAM 以及36 个DSP 模块。FPGA 控制整个系统工作，输出探测器控制信号CLK，RESET 信号，控制探测器按所需频率曝光;对AD9826 芯片进行初始化，然后输出AD9826 工作时钟信号，并接收转化后的数字信号并通过网口向上位机进行传输。图3 为FPGA 控制流程图。

图2 硬件系统构成

图3 FPGA 控制流程图

2.1 探测器驱动设计

根据系统设计要求，选用的探测器型号为滨松G11620 －512DA。其像元数为512，尺寸为32 mm ×15 mm×3 mm。探测器为单通道数据输出，工作最高时钟频率为1 MHz，输出模拟信号范围为1.2 ～2.4 V。CLK为时钟信号，频率为1 MHz，驱动探测器工作。

FPGA 根据探测器工作情况要求，输出相应的驱动信号，其中RESET 为探测器曝光使能信号，当在CLK下降沿时检测到RESET 为高电平时，探测器开始进行曝光积分;当在CLK 下降沿时检测到RESET 为低电平时，结束探测器曝光积分，在9 个时钟周期后将像元数据进行串行输出。FPGA 控制信号时序如图4 所示。

图4 FPGA 控制信号时序

2.2 AD9826 控制设计

FBG 光纤光栅传感器所输出的光信号通过InGaAs探测器转换为模拟电信号，模拟信号需要通过模数转换芯片AD9826 进行模数转化，将转换后的数据通过FPGA 进行接收处理。选取的AD9826 模数转化芯片，是一款三通道、双工作方式的A/D 芯片，其转换速率达到15MSPS，采用分时输出高8 位和低8 位的方法来实现16 位数据的输出。根据InGaAs 探测器模拟信号的输出形式，选用一通道SHA 模式进行模数转换。图5 为AD9826 芯片一通道SHA 模式工作时序。

图5 AD9826 一通道SHA 模式工作时序图

运用FPGA 对AD9826 进行控制，在系统启动前对芯片SCLK，SLOAD，SDATA 寄存器进行初始化，选定芯片工作方式。然后输出CDSCLK2，ADCCLK 时钟信号，其频率均为1 MHz，相位相差90°。数字信号从AD9826 发出后，FPGA 采用串并转化将分时到达的高8 位和低8 位数据进行组合，当数据累积到512 个时，即一次测量数据接收完毕，FPGA 将数据打包准备通过网口进行发送。

2.3 以太网口控制设计

解调系统的解调频率可以达到1.9 kHz，每次测量的数据共计8192 bit，所以选择百兆网口即可。在FPGA 中运用软核NIOS，直接通过软件搭建网口控制平台。即运用NIOS 为FPGA 和网口协议芯片建立接口，数据从FPGA 进入网口协议芯片后，协议芯片根据TCP/IP 协议对数据进行打包后发送。

3 软件系统设计

当FPGA 采集的数据通过网口发送至上位机后，软件系统对数据进行处理，图6 为上位机程序流程图，首先对数据进行缓存，当数据个数达到512 即一次测量的数据量时，开始查找有效像元数据，最后依据高斯拟合算法对有效数据进行处理，得到解调结果。

图6 上位机主程序流程图

软件系统设计的核心是采取合适的波长拟合算法，计算出反射光的中心波长。寻峰算法基于高斯曲线拟合，对于光纤Bragg 光栅的反射功率谱密度曲线，理论上其强度最大值位于中心波长处，并以中心波长为轴左右对称，曲线可以用高斯函数近似表达为

式中:H0，x0，σ2为实数常数，H0＞0。对式(1)两边取对数得

式(2)可化为

采用最小二乘法计算系数a，b，c。式(3)的离差平方和

为了使S 取得最小值，对式(4)中的系数a，b，c 求偏导，得方程组

式中:yi为探测器像元能量的对数值;xi为对应的像元坐标值。

解方程组(5)求得系数a，b，c。最后由a，b 可求得波长值x0为

采用回归分析获得的反射谱高斯拟合曲线，由于采用最小二乘法，保证了离差平方和取得最小，因此外界干扰对拟合高斯曲线的参数影响较小，各参数值主要取决于整体采样值［4］。所以运用曲线拟合求取FBG 反射谱的Bragg 波长值具有较高的准确性。

4 实验结果

通过实验对该系统的可行性进行验证。试验装置如图1 所示，接入的FBG 光纤光栅的中心波长值分别为1523.238，1528.596，1532.697，1538.45，1543.886 nm。

最终解调结果如图7 所示，解调出波长值分别为1523.233，1528.592，1532.700，1538.455，1543.886 nm，满足设计要求。

整个解调系统解调频率达到1.9 kHz，输出光谱形状满足高斯分布特点，同时在满足耐奎斯特定理的前提下保证了波长解调的稳定性。通过实验结果发现，光谱随时间的波动较小，信噪比高，满足高速、高稳定性的解调要求。

图7 五个不同中心波长FBG 传感器的反射光谱数据曲线

5 结论

本系统运用FPGA 以及上位机软件完成了探测器驱动、探测器数据采集转化、高斯拟合处理、数据网口传输，实现了FBG 光纤光栅解调。通过实验验证了本解调系统能够实现1.9 kHz 高速解调，且解调精度能够达到±5 pm，具有较高的实用价值。

［1］冯忠伟，张力，何彦璋，等. 基于衍射光栅的光纤光栅传感器解调系统研究［J］. 计测技术，2011，31 (4):16－18.

［2］乔学光，丁锋，贾振安，等. 一种基于ASE 光源的边缘滤波解调技术的研究［J］. 光电子·激光，2009，20 (9):70 －73.

［3］Gao H，Yuan S，Bo L，et al. InGaAs Spectrometer and F －P Filter Combined FBG Sensing Multiplexing Technique ［J］. J.Lightwave Technol ，2008，26 (14):82 －85.

［4］吴付岗，张庆山，姜德生，等. 光纤光栅Bragg 波长的高斯曲线拟合求法［J］. 武汉理工大学学报，2007，29 (12):116 －118.