基于NIOS II的光纤光栅温度传感解调系统

王盛慧， 王子峰

（长春工业大学电气与电子工程学院，吉林长春 130012）

基于NIOS II的光纤光栅温度传感解调系统

王盛慧， 王子峰＊

（长春工业大学电气与电子工程学院，吉林长春 130012）

基于FPGA的硬件平台，以NIOS II嵌入式软核处理器为核心，设计了可调谐F－P滤波器的光纤光栅解调系统，介绍了系统的组成以及软硬件结构。温度测试实验结果表明，该系统的整体性能良好，具有较好的稳定性和重复性，满足实际测量需求。

光纤光栅；FPGA；NIOS II；可调谐F－P滤波器

0 引 言

近几年来，光纤光栅传感技术得益于它的抗电磁干扰、绝缘性能好、耐腐蚀、测量范围广等优势，使得在一些恶劣环境的测量中有着广泛的应用［1］。光纤光栅传感技术是通过检测反射波长的漂移量得到被检测量的大小，因此，能否高精度的检测到反射波长的漂移量是应用中的核心问题［2］。目前，解调方法日趋成熟，且各有优缺点，边缘滤波法的结构简单，但是测量精度不高；干涉解调法测量精度高，但受环境影响大，实用性不高；匹配光栅滤波法对匹配光栅的制作工艺要求较高；基于可调谐F－P腔具有灵敏度高、体积小、调谐范围广等优势，且技术发展成熟、实用性较好，适用于工程应用中波长检测［3］。文中采用光纤F－P滤波器检测FBG传感器的温度变化信号，运用NIOS II嵌入式处理器设计了高精度的光栅解调器，满足实时测量的要求。

1 光纤光栅解调系统设计

FBG传感解调系统的组成主要包括宽带光源、3 dB耦合器、可调谐F－P腔、光电探测器、数据采集以及处理部分等［4］。系统原理如图1所示。

图1 解调系统原理图

宽带光源发出的光经隔离器到3 dB耦合器，进入FBG阵列，满足布拉格反射条件的光又经光纤光栅反射回来后进入F－P滤波器。在外加扫描电压的作用下，F－P腔的腔长产生变化，改变透过F－P腔波的波长［5］。当FBG反射波长和FP腔透过波长一致时，光电探测器探测到最大光强，这时F－P腔所加电压即对应着FBG的反射波长，光电探测器输出的电信号与输入光谱相对应，再通过A／D转换、放大、滤波后交给数字信号处理部分解调。

2 硬件电路设计

2.1 F－P滤波器驱动电路

F－P腔是一种高度精密的光学元件，它的腔长随着两端电压的变化而变化，从而改变透射光波长。文中利用FPGA输出数字量，经过D／A转换成模拟电压，并通过运算放大器放大、滤波等环节产生三角齿波，控制F－P腔的伸缩。为了保证探测器输出的电信号和F－P腔驱动信号同步，模数转换电路采用三角波作为外触发信号［6］。

2.2 光电转换电路

光电转换电路包括光信号转电流信号和电流信号转电压信号两个步骤。光信号通过光电管转换成微弱的电流信号，再流经电阻产生压降，从而得到电压信号；然后经过放大器进行电压放大，送到A／D转换器中进行采样。其光电转换电路如图2所示。

图2 光电转换电路

光电管采用InGa AsPIN（小面积）光电探测器，探测波长范围900～1 700 nm，符合系统的要求。

2.3 数据处理模块

数据处理部分主要完成电信号的采样和处理以及产生驱动F－P滤波器的三角波信号。光电探测器输出的电信号幅值小且带有噪声，因此必须经过滤波、放大处理才能送到A／D转换成数字量。A／D转换有两路输入信号：一路是由光电转换得到的电信号；另一路是驱动F－P滤波器的同步信号，目的使这两路信号同步。AD采样后的数据再由波峰算法得到最大值，从而找到对应的扫描电压值，由F－P滤波器波长和扫描电压对应关系得到反射波的中心波长，进而得到待测量的值［］。

3 软件算法设计

软件算法的核心就是找到合适的寻峰算法，从而计算出从光纤光栅反射波的波长，得到对应的温度值，文中在综合考虑算法复杂性和可行性的基础上，采用基于高斯曲线拟合的寻峰算法。光纤布拉格光栅的反射光功率谱密度曲线可以用高斯函数近似表达为：

经变换后得到多项式方程，通过采集到的数据，利用最小二乘法计算出a，b，c的值，进而关系式λ＝－b／（2a）计算反射峰峰值对应的λ的值［8］。

4 实验与分析

为了验证解调系统的性能，将本系统在测温系统（见图1）中实验，把光纤光栅温度传感器放入恒温水槽中，水温从25℃升到605℃，每隔5℃用光谱仪测量一次中心波长，将测得的数据绘成波长－温度曲线，如图3所示。

从图中可以看出，运用本系统测量结果线性度良好，通过计算可得线性度R＝0.986 9。

5 结 语

设计了一种以FPGA和可调谐F－P滤波器为核心的光纤光栅传感解调系统，并且运用高斯拟合算法得到FBG反射谱峰值。最后把本系统用于测温实验中，结果表明，采用文中设计的解调系统能够很好地对温度变化实时监测，采用NIOS II作为处理器，在一定程度上简化电路，降低了成本，提高了系统运行速度，且整体运行稳定，应用前景广阔。

图3 波长－温度曲线

［1］艾树峰，史振江.基于DSP和CPLD的光纤光栅解调系统的设计与实现［J］.电讯技术，2008，48（6）：6－9.

［2］李新海，李冰.基于DSP的分布式光纤光栅传感解调技术的研究［J］.光电技术应用，2013，32（1）：32－37.

［3］郑立林，王莲芬.用可调谐F－P滤波器实现分布式应变与温度同时测量系统［J］.红外与激光工程，2007，22（2）：614－616.

［4］王鑫，王俊林.光纤光栅传感器实时解调系统［J］.仪表技术与传感器，2012，11（3）：70－72.

［5］宋慧超，苗长云.一种新型用于智能服装的FBG嵌入式人体温度检测算法［J］.传感技术学报，2009，4 （7）：1045－1049.

［6］杨林楠.基于FPGA的高速多路数据采集系统的设计［J］.计算机工程，2007（7）：35－37.

［7］张孝飞，赵孔新，张赛男.基于FPGA的脉冲发生器波形模块设计［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2011，32（3）：258－262.

［8］王奇.光纤光栅传感解调系统中通信接口技术研究［D］.武汉：武汉理工大学，2005：6－7.

A NIOS II based fiber grating temperature sensing demodulation system

WANG Shenghui， WANG Zifeng＊
（School of Electrical ＆Electronic Engineering，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China）

Based on FPGA platform，with Nios II as the core processor，a tunable F－P filter fiber Bragg grating demodulation system is designed.We introduce both the hardware and software of the system.The temperature test shows that the system is with good stability and repeatability.

fiber grating；FPGA；NIOS II；tunable F－P filter.

TN 253

A

1674－1374（2015）04－0405－03

10.15923／j.cnki.cn22－1382／t.2015.4.09

2014－11－20

王盛慧（1976－），女，汉族，吉林吉林人，长春工业大学副教授，硕士，主要从事信号检测与处理方向研究，E－mail：wangshenghui＠ccut.edu.cn.＊通讯作者：王子峰（1990－），男，汉族，黑龙江大庆人，长春工业大学硕士研究生，主要从事信号检测与处理方向研究，E－mail：1014007886＠qq.com.