張曉鵬,董明利,劉 鋒,祝連慶

(北京信息科技大學光電信息與儀器北京市工程研究中心,光電測試技術北京市重點實驗室,北京 100192)

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基于多級衍射及自適應補償?shù)墓饫w光柵傳感器解調(diào)技術*

張曉鵬,董明利,劉 鋒,祝連慶*

(北京信息科技大學光電信息與儀器北京市工程研究中心,光電測試技術北京市重點實驗室,北京 100192)

解調(diào)技術是決定光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)速率、精度、容量等性能的關鍵因素。提出一種基于線陣光電探測器成像原理的光纖光柵傳感器解調(diào)方案,通過多級衍射,結(jié)合弱曝光自適應超頻技術和FPGA并行數(shù)據(jù)處理技術,實現(xiàn)了對傳感信號的快速解調(diào),同時可以實現(xiàn)對級聯(lián)型光纖光柵傳感器和長周期光纖光柵傳感器信號的解調(diào)。使用溫度、應力敏感光纖光柵傳感器對搭建的鐵路橋模型進行監(jiān)測,實驗結(jié)果表明,光纖光柵傳感系統(tǒng)的解調(diào)精度可以達到10 pm量級,系統(tǒng)可測量光譜范圍達50 nm,提高了傳感系統(tǒng)的解調(diào)速率和精度,同時實現(xiàn)了光纖光柵解調(diào)設備的微型化。

光纖光柵傳感器;線陣光電探測器;多級衍射;自適應補償;FPGA解調(diào)

傳統(tǒng)的傳感器及其解調(diào)技術在常規(guī)領域內(nèi)得到了廣泛的應用,但是對于一些特殊、極端環(huán)境,如航空航天、航海、醫(yī)療以及石化等特殊工業(yè),普通的傳感器已經(jīng)無法滿足如此極端環(huán)境的要求。為解決這樣的問題,光纖光柵傳感器應運而生[1]。

近年來光纖光柵傳感器及其解調(diào)儀的研究備受矚目,其中美國Micron Optics公司,Ocean Optics公司,Ibsen公司和荷蘭Avantes公司都在開展相關研究。其中光路設計方面主要采用基于光纖Fabry-Perot(F-P)濾波器解調(diào)法[2]和基于衍射光柵與線陣光電探測器解調(diào)法[3]。Fabry-Perot(F-P)濾波器解調(diào)法是現(xiàn)在效果較好的一種解調(diào)方法,而其存在諸多弊端,諸如解調(diào)速度、儀器體積等[4]。而基于衍射光柵與線陣光電探測器解調(diào)法中又分為體相位光柵法[5]和反射式衍射光柵法等[6]。BaySpec公司生產(chǎn)的基于體相位光柵法光纖光柵傳感器解調(diào)儀在國內(nèi)得到廣泛應用,不過其在解調(diào)速度和解調(diào)精度方面仍有不足[7]。這就使得基于衍射光柵與線陣光電探測器法成為研究熱點,而其較小的體積也備受一些非常規(guī)領域使用者的青睞[8-9]。我國是從20世紀90年代開始開展相關研究,國外對國內(nèi)進行技術封鎖,相關原理設備和知識產(chǎn)權(quán)較少,大多數(shù)設備的體積、解調(diào)精度和采樣率無法達到應用水平[10-11]。

本文研究的重點是如何實現(xiàn)更快,更精確,數(shù)據(jù)量更龐大的傳感系統(tǒng)。對于光纖光柵傳感器,精度以及解調(diào)范圍是光纖光柵傳感器解調(diào)儀的發(fā)展根本,因此高速光纖光柵傳感器解調(diào)儀成為研究熱點[12-14]。本文基于線陣光電探測器成像原理對高速大容量光纖光柵解調(diào)儀展開研究,結(jié)合光電檢測與數(shù)據(jù)高速傳輸理論,在光電檢測方面采用線陣光電探測器成像技術,多級衍射技術。在高速傳輸方面采用FPGA并行數(shù)據(jù)處理技術,集成光學色散系統(tǒng)和FPGA(Field-Programmable Gate Array)解調(diào)系統(tǒng),采用弱曝光自適應補償超頻技術設計并制作一臺小型高速光纖光柵傳感器解調(diào)儀。

1 高速光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)設計

1.1 解調(diào)原理

基于線陣光電探測器成像原理的解調(diào)儀是通過線陣光電探測器作為轉(zhuǎn)換媒介,把光譜信息轉(zhuǎn)換成電信號,供后續(xù)電路解調(diào)使用。其中,光路采用透射光柵色散原理,把反射光譜進行色散處理后投射到線陣光電探測器感光面上,從而在線陣光電探測器不同像元上對反射光譜進行光電轉(zhuǎn)換。這樣可以擴大解調(diào)范圍、提高解調(diào)精度。

數(shù)據(jù)處理方面,采用高速FPGA作為核心器件,把經(jīng)本地處理后的數(shù)據(jù)傳輸給上位機。解調(diào)儀與上位機接口采用千兆以太網(wǎng)口,這種設計可以滿足大數(shù)據(jù)量、高速信號處理的需求。在需要大面積鋪設傳感器的應用中,這種解調(diào)方式極大的節(jié)省了布線量。甚至可以采用光纖光柵級聯(lián)或長周期光纖光柵形式進行布局布線。圖1為光纖光柵傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖。

圖1 系統(tǒng)框架圖

如圖所示,光電探測器接收到信號后,經(jīng)由信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路把信號發(fā)送給主控芯片F(xiàn)PGA,再由FPGA控制高速高精度處理器發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機。

1.2 基于多級衍射與線陣光電探測器光路設計

為了實現(xiàn)光纖光柵傳感器的小型化,通過采用多級衍射的方法,實現(xiàn)大角度色散,并利用衍射光柵特有的衍射角度合理布局,有效縮短光程,實現(xiàn)光路系統(tǒng)微型化。所有器件均選用微小型產(chǎn)品,經(jīng)過組合、調(diào)試、標定、封裝后可以更好地應用在空間受限的場合。圖2為多級衍射光路原理圖。

圖2 多級衍射光路原理圖

如圖2所示,入射光首先經(jīng)過第1個衍射光柵,完成一級衍射,此時光譜產(chǎn)生色散,然后被色散后的入射光經(jīng)過第2個衍射光柵后色散效果進一步增強,完成二級衍射。經(jīng)過兩級衍射后的光譜再經(jīng)由凹面鏡的匯聚投射到線陣光電探測器上,供電路部分使用。

在采用多級衍射技術的同時,選擇適用于紅外波段的特殊光柵,不僅覆蓋現(xiàn)在解調(diào)信號常用的激光波長,而且可以進一步提高解調(diào)范圍,獲得更高的頻譜分辨率,大幅度提高波長測量精度。為了應對長周期光柵或多光柵級聯(lián)的情況,采用光譜成像原理實現(xiàn)同時解調(diào)多組信號,并在保證測量數(shù)量的前提下,極大的提高了系統(tǒng)分辨率和解調(diào)精度。

為了驗證所提方案的合理性,本文使用ZEMAX軟件進行了模擬分析。具體參數(shù)設置如下。

表1 ZEMAX模擬參數(shù)

光路模型和模擬結(jié)果如圖3。圖3為使用ZEMAX模擬后的系統(tǒng)圖,通過仿真可以看出與設計結(jié)果一致。

圖3中,1 520 nm、1 550 nm、1 570 nm光源在凹面鏡焦點處的縱向分布情況如圖4所示?？梢钥闯?沿著成像面的Y軸方向,光譜從小到大逐一展開。

圖3 解調(diào)光路模擬圖

圖4 成像面光譜圖

由于光學器件對溫度敏感,所以為了提高解調(diào)精度,需要在中心波長測量值的基礎上進行溫漂標定,式(1)提出了一種合理的光學器件溫漂標定公式,可以在pm量級對測量結(jié)果進行修正。首先建立檢測波長與溫度之間的線性關系,線性式系數(shù)為大于零的小數(shù),以此設定便于程序處理和分析。由于線性關系變化范圍過快,需要在上述線性式的基礎上加上分母,進行類似于歸一化的精細微調(diào),為了實現(xiàn)微調(diào)的效果,分母也被設定為溫度的線性式。

(1)

式中:λT為波長測量值,T為溫度值,α、β、α0、β0為需要標定的系數(shù)。經(jīng)過實驗檢測,式(1)可以較好的對溫度漂移帶來的波長漂移進行補償。

1.3 基于自適應補償?shù)母咚賯鬏斕幚黼娐吩O計

1.3.1 高速處理傳輸系統(tǒng)方案

經(jīng)過凹面鏡聚焦后的光信號,投射在線陣光電探測器上,線陣光電探測器同樣采用對紅外波長敏感的材料InGaAs,具有速率高、分辨率高等特點,檢測范圍可達900nm到1800nm。將線陣光電探測器采集到的信號經(jīng)預處理并進行16bitAD轉(zhuǎn)換后并行傳輸至FPGA,利用FPGA強大的并行處理和邏輯處理能力對信號管理,最后經(jīng)由千兆以太網(wǎng)傳輸至上位機進行分析、顯示、存儲等。高速處理傳輸系統(tǒng)是以FPGA為核心器件構(gòu)建,具有靈活多變的分析處理能力,可以把更多的外圍電路依靠FPGA實現(xiàn),實現(xiàn)解調(diào)設備的微型化。系統(tǒng)設計中使用高速高頻器件,采用FPGA并行數(shù)據(jù)處理技術,工作頻率達到10MHz以上,大大提升了數(shù)據(jù)處理速度和數(shù)據(jù)吞吐量。

1.3.2 弱曝光自適應補償超頻技術

線陣光電探測器的數(shù)據(jù)輸出頻率為4MHz,使系統(tǒng)解調(diào)速度受到限制,因此盡可能增加系統(tǒng)在單位時間內(nèi)采集到的傳感器信號,可以更好地發(fā)揮系統(tǒng)解調(diào)速率優(yōu)勢。采用弱曝光自適應補償超頻技術,用FPGA產(chǎn)生線陣光電探測器復位信號,使其復位周期縮短到微妙甚至納秒量級,以實現(xiàn)在線陣光電探測器輸出頻率不變的情況下,檢測到更多的傳感器信號,從而提高系統(tǒng)解調(diào)速度。通過FPGA時序邏輯控制,可以實現(xiàn)不同條件需求下曝光時間的自適應調(diào)節(jié)。弱曝光自適應補償超頻技術在對檢測速度有較高要求的環(huán)境中可以起到比較好的效果。如圖5所示,是以FPGA為核心的線陣傳感器弱曝光自適應補償超頻技術的原理圖。

圖5 弱曝光自適應補償超頻技術原理圖

圖5中,從左到右依次是光電線陣傳感器,4個控制端口。4個控制端口分別為AD片選信號,光電線陣探測器reset信號,AD采樣信號和光電線陣探測器時鐘信號。通過程序控制光電線陣探測器reset信號以及光電線陣探測器時鐘信號可以達到弱曝光自適應補償超頻技術。根據(jù)需求設定解調(diào)速率或曝光時間,通過FPGA的處理把上述參數(shù)要求變換為光電線陣探測器的時鐘信號,和復位信號。根據(jù)需求可以選擇時鐘信號超頻或者弱曝光技術,采取自適應的方式由系統(tǒng)內(nèi)部根據(jù)上位機要求決定需要采用的曝光時間和時鐘信號速率,之后通過協(xié)調(diào)光電線陣探測器提供給數(shù)模轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換信號完成解調(diào)信號的采集,最后經(jīng)由FPGA并行處理系統(tǒng)完成解調(diào)。

為更好地的發(fā)揮系統(tǒng)解調(diào)速率高的優(yōu)勢,需要一個穩(wěn)定的信號處理系統(tǒng),是線陣光電探測器信號處理系統(tǒng)中的調(diào)理電路。調(diào)理電路通過阻容濾波,阻抗匹配實現(xiàn)對模擬信號的預處理,提高信號的信噪比,給模數(shù)轉(zhuǎn)換提供完善的信號。預處理電路與FPGA的同步也是能否實現(xiàn)弱曝光自適應補償超頻技術的關鍵。預處理電路中,需要經(jīng)過大量計算和實驗使解調(diào)信號在高速傳輸中不會產(chǎn)生串擾和噪聲,需要注意PCB高速高頻布線技術的應用,需要合理利用阻容濾波,阻抗匹配使得采樣波形達到信噪比最優(yōu)。原理圖如圖6所示。

圖6 預處理電路原理圖

1.3.3FPGA并行處理程序設計

使用verilog語言編寫FPGA邏輯分析和數(shù)據(jù)處理程序,接收數(shù)據(jù),經(jīng)分析處理后,通過TCP/IP包封裝工具將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口發(fā)送至上位機。使用FPGA并行數(shù)據(jù)處理技術,最大限度的發(fā)揮FPGA的并行處理能力,實現(xiàn)多組數(shù)據(jù)的同時處理,加快數(shù)據(jù)處理速度。FPGA數(shù)據(jù)處理程序的主要流程如圖7所示。

圖7 部分流程圖

從圖7可以看出需要程序控制曝光時間,同時還需要將原數(shù)據(jù)打包成TCP/IP包,并最終通過mac數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給上位機。

2 實驗結(jié)果和分析

2.1 實驗裝置

搭建1∶100的鐵路橋微縮模型,分別在橋梁底部,鐵軌附近以及懸掛鋼索上布置光纖光柵傳感器,實現(xiàn)對鐵路橋的監(jiān)測。光纖光柵傳感器采用對溫度以及應力敏感的封裝形式,采用光纖光柵級聯(lián)方式,利用線陣光電探測器解調(diào)儀的高同步性、大量程等特點,實現(xiàn)對5個位置溫度和應力變化的同步監(jiān)測。實驗裝置如圖8所示。

圖9中給出了實驗模型中光纖光柵的擺放位置。本文中采用封裝后的光纖光柵傳感器模型,封裝采用金屬襯底片式封裝。光纖光柵傳感器如圖10所示。

圖8 橋梁模型

圖9 橋梁模型測量點對應圖

圖10 光纖光柵傳感器

圖11 線陣光電探測器輸出端

2.2 線陣光電探測器結(jié)果分析

使用線陣光電探測器采集5個監(jiān)測點的數(shù)據(jù),結(jié)果如圖11所示,可清楚的看出線陣光電探測器采集到了5個不同光纖光柵傳感器的信號,其中從左到右分別代表(1)號到(5)號光纖光柵傳感器。信號的幅值表示所使用的寬帶光源在相應頻譜處的光強,光強轉(zhuǎn)換為輸出電壓后其范圍在1.2V到2.7V之間。圖11到圖18橫坐標均為時間,縱坐標均為電壓。

圖11橫坐標對應光譜范圍,縱坐標對應信號強度,橫坐標體現(xiàn)了解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)范圍。圖中共有5個監(jiān)測點,從左到右分別為監(jiān)測點(1)到監(jiān)測點(5)。

(1)號和(3)號光纖光柵傳感器的反射峰具體波形如圖12所示。可以看出,每個峰值對應4個～5個線陣光電探測器像元,通過對這4個～5個強度值進行分析解調(diào)最終得出反射峰峰值對應的光譜值。

圖12 (1)與(3)號監(jiān)測點峰值處局部放大像素點

線陣光電探測器采集到的信號是模擬信號,需對此模擬信號進行預處理變?yōu)椴罘中盘柡筮M行AD轉(zhuǎn)換才能被FPGA系統(tǒng)接收。其中(3)號監(jiān)測點預處理后的信號及經(jīng)過AD后的數(shù)字信號分別如圖13和圖14所示。

圖13 經(jīng)調(diào)理電路后模數(shù)輸入端

圖14 模數(shù)輸出端

圖15是圖14的局部放大圖,可以看出經(jīng)處理后的數(shù)字信號波形清晰,穩(wěn)定度較高,確保了解調(diào)系統(tǒng)應有的解調(diào)數(shù)據(jù)大吞吐量得以實現(xiàn)。

圖15 AD輸出端局部放大

在弱曝光自適應補償超頻技術中FPGA需要控制線陣光電探測器的reset信號,圖16和圖17為兩種不同的曝光時間對應的reset信號波形圖。通過控制reset信號使得系統(tǒng)解調(diào)頻率大大提高,可以看出解調(diào)頻率可高于5MHz,下圖中所提供的解調(diào)頻率為2MHz和6MHz。

圖16 強曝光

圖17 弱曝光

2.3 實驗結(jié)果分析

經(jīng)過線陣光電探測器、預處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及FPGA數(shù)據(jù)處理電路最終可以由上位機解調(diào)出光譜圖。實驗中溫度源變化范圍在15 ℃至30 ℃,振動源變化范圍為2kHz到7kHz。

圖18是本文所設計的實驗系統(tǒng)測得的結(jié)果,可清晰觀測到5個監(jiān)測點的信號,與Bayspec公司制作的解調(diào)儀采集的數(shù)據(jù)基本一致。

圖18 實驗系統(tǒng)解調(diào)光譜圖

為進一步驗證本文所設計的光線光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的準確性,采用高斯擬合方式分別對本系統(tǒng)和Bayspec公司系統(tǒng),光譜儀測量值進行數(shù)據(jù)尋峰對比,通過重復采樣后取加權(quán)平均后結(jié)果如表2所示,可以看出本系統(tǒng)所測得的信號的準確性較高。經(jīng)誤差分析與計算,系統(tǒng)精度可達10pm量級。

表2 尋峰數(shù)據(jù)對比

3 結(jié)論

本文基于線陣光電探測器設計了一套光纖光柵解調(diào)系統(tǒng),該系統(tǒng)使用弱曝光自適應補償超頻技術和FPGA并行數(shù)據(jù)處理技術,可以實現(xiàn)對反射光譜在1 520nm到1 570nm范圍內(nèi)的光纖光柵傳感器進行解調(diào),解調(diào)頻率可達15kHz以上,反射譜尋峰分辨率可達皮米量級。具有數(shù)據(jù)處理速度高、數(shù)據(jù)吞吐量大、體積小、低功耗、分辨率高等優(yōu)點,具有良好的應用前景。

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The Demodulation Technique of Fiber Grating Sensor Base on Multi Order Diffraction and Adaptive Compensation*

ZHANGXiaopeng,DONGMingli,LIUFeng,ZHULianqing*

(Beijing Key Laboratory for Optoelectronics Measurement Technology,Beijing Engineering Research Center of Optoelectronic Information and Instruments,Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100192,China)

Optical fiber grating sensor has been promoted with the wide application of optical fiber grating sensors demodulation system. The demodulation technology has become a key factor of system speed,precision,capacity and other properties. This paper presents a kind of optical fiber grating sensor demodulation technique based on the principle of linear image sensor,Many problems of demodulation has been solved by multi order diffraction,weak exposure adaptive overclocking technology,FPGA parallel data processing technology. All of the technology focus on improving the speed of demodulation,the accuracy of demodulation and the Miniaturization. Experiments show that,our system can improve the demodulation precision up to 10 pm,and the spectrum range of demodulation up to 50 nm,It can also demodulate the cascaded fiber Bragg grating sensor and the long period fiber grating sensor.

optical fiber grating sensor;linear image sensor;multi order diffraction;adaptive overclocking technology;FPGA demodulation

張曉鵬(1987-),男,碩士,主要從事高速大容量分布光纖光柵傳感器解調(diào)技術研究,對FPGA,嵌入式,光纖光柵傳感及光纖光柵激光器均有涉獵。通信工程學士學位,光電測試碩士學位;

董明利(1965-),女,博士、碩士生導師。中國計量測試學會學術工作委員會常務理事兼副秘書長,全國誤差與不確定度研究會理事,北京信息科技大學光電工程學院任教授;

祝連慶(1963-),男,博士、博士生導師。于合肥工業(yè)大學分別獲學士、碩士學位,2013年于哈爾濱工業(yè)大學獲博士學位?，F(xiàn)任北京信息科技大學教授,“光電測試技術”北京市重點實驗室主任,“光電信息與儀器”北京市工程研究中心主任。

項目來源:北京市重大科技計劃項目(PXM2013-014224-000077,PXM2012-014224-000019);光電信息與儀器北京市工程研究中心開放課題項目(GD20130006)

2014-08-25 修改日期:2014-12-11

C:7230G

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.03.006

TP212.9;TP216+.1;TN29

A

1004-1699(2015)03-0330-06