高凱波,李佳明,顏正強(qiáng),朱旭峰,袁世輝,劉盾盾,薛 原,賈平崗

(1.中北大學(xué),省部共建動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051; 2.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院高空模擬技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川綿陽(yáng) 621000)

0 引言

光纖法布里-珀羅(Fabry-Perot)傳感器具有結(jié)構(gòu)精巧、精度高、抗電磁干擾和高溫等特種環(huán)境的優(yōu)點(diǎn),是最常用的一種光纖傳感器[1]。目前,傳統(tǒng)的法珀傳感器解調(diào)方案多采用光譜儀等比較笨重的設(shè)備,不具備可攜帶的便捷性,所以,研制一款小型化的光纖法珀傳感器信號(hào)處理系統(tǒng),對(duì)光纖法珀傳感器解調(diào)領(lǐng)域具有重要的意義。MG-Y可調(diào)諧激光器由于具有波長(zhǎng)切換速度快、調(diào)諧范圍廣且可作為掃描光源的特點(diǎn),能更好地實(shí)現(xiàn)腔長(zhǎng)算法的解調(diào)[2]。系統(tǒng)使用MG-Y可調(diào)諧激光器作為掃描光源,采用傅里葉頻率測(cè)量法和最小二乘擬合法的結(jié)合算法作為法珀傳感器的解調(diào)方法,可以完成對(duì)法珀傳感器腔長(zhǎng)的解調(diào)運(yùn)算。

1 解調(diào)算法原理介紹

1.1 多光束干涉原理

法珀傳感器諧振腔基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,將一束波長(zhǎng)為λ0的單色光以一定夾角θ射入這對(duì)光學(xué)界面,透射光B1C1在法珀腔兩個(gè)端面經(jīng)過(guò)多次反射與透射,入射光一側(cè)的所有反射光線BnAn(n=1,2…)形成了一組平行且任意兩束相鄰光之間光程差都相同的光,這些光束相干疊加形成多光束干涉。此時(shí),反射端面上產(chǎn)生的相位為

圖1 法珀諧振腔基本結(jié)構(gòu)原理圖

(1)

式中:L為傳感器的腔長(zhǎng);n為法珀腔玻璃端面與空氣介質(zhì)的折射率。

由于本文采用的法珀腔端面為玻璃材質(zhì),反射率約為0.04,所以法珀腔輸出是近似為雙光束干涉的正弦信號(hào),將入射光強(qiáng)看作1,空氣腔總反射光強(qiáng)Ir可表示為

Ir=(R+RT2)-2RTcosφ

(2)

式中:R為法珀腔玻璃端面的反射率;T為法珀腔玻璃端面的透射率。

1.2 傅里葉頻率測(cè)量-最小二乘擬合法原理

使用傅里葉頻率測(cè)量法完成對(duì)法珀傳感器初始腔長(zhǎng)的解調(diào),基本原理如下:

將式(1)取微分,即可得到波長(zhǎng)變化與相位變化的關(guān)系,當(dāng)相位差dφ=2π時(shí),根據(jù)式(3)即可求得F-P腔的腔長(zhǎng)[3]。

(3)

式中Δλ為干涉條紋相鄰峰峰值間的波長(zhǎng)間隔。

對(duì)反射光譜進(jìn)行波長(zhǎng)域傅里葉變換后可以得到光譜的頻譜圖,根據(jù)式(4)即可得到相鄰條紋的波長(zhǎng)間隔。

(4)

式中:fs為AD平均采樣頻率;Q為校正因子,即相鄰采樣點(diǎn)之間的波長(zhǎng)間隔;f為頻譜的中心波長(zhǎng)。

將式(3)與式(4)聯(lián)立,即可以得到法珀傳感器初始腔長(zhǎng)值,如式(5)所示[4]:

(5)

傅里葉頻率測(cè)量法有著解調(diào)運(yùn)算速度快、可以對(duì)腔長(zhǎng)絕對(duì)值進(jìn)行測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。但是由于f只能為整數(shù),所以解調(diào)結(jié)果會(huì)有比較大的誤差[5]。因此采用最小二乘擬合算法對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

最小二乘算法是局部搜索算法。根據(jù)傅里葉頻率測(cè)量法得到的初始腔長(zhǎng)值L0,按照步長(zhǎng)0.4 μm,在±10 μm的范圍內(nèi)記下所有的待檢測(cè)腔長(zhǎng)值。激光器在一個(gè)掃描周期的波長(zhǎng)值為λ1,λ2,…,λn,經(jīng)過(guò)法珀傳感器調(diào)制后的光強(qiáng)度值為I1,I2,…,In。將所有的待檢測(cè)腔長(zhǎng)值Lt求誤差平方和,并比較誤差平方和的最小值,這個(gè)最小值對(duì)應(yīng)的腔長(zhǎng)值Lt為最接近真實(shí)腔長(zhǎng)的值,最小二乘擬合公式如式(6)所示:

(6)

式中:M=R+RT2;N=-2RT;n為激光器掃描一個(gè)周期所有波長(zhǎng)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)[6]。

利用最小二乘擬合法對(duì)傅里葉頻率測(cè)量法得到的初始模糊腔長(zhǎng)值進(jìn)行擬合運(yùn)算便可以獲得精準(zhǔn)的腔長(zhǎng)值。

2 信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的法珀傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)由MG-Y可調(diào)諧激光器、1分2光環(huán)形器、光電探測(cè)器,AD7606采集模塊,RS485串口傳輸模塊,FPGA核心板與搭載LabVIEW軟件的上位機(jī)組成。系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

首先FPGA驅(qū)動(dòng)MG-Y可調(diào)諧激光器工作,進(jìn)行掃頻操作,激光器發(fā)出的光束依次經(jīng)過(guò)環(huán)形器、法珀傳感器、光電探測(cè)器后,由AD7606采集模塊采集。

隨后利用RS485串口傳輸模塊將光譜數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。最后利用上位機(jī)軟件LabVIEW實(shí)現(xiàn)算法對(duì)法珀傳感器腔長(zhǎng)的解調(diào)。

2.1 激光器掃描程序設(shè)計(jì)

MG-Y激光器是一種電子調(diào)諧器件[7],主要包括左右光柵反射區(qū)、多模干涉耦合器(MMI)、相位區(qū)、增益區(qū)和光放大器,其中MG-Y激光器的增益區(qū)與半導(dǎo)體光放大器(SOA)這兩個(gè)區(qū)主要控制激光器輸出光功率的大小,激光器輸出特定波長(zhǎng)的窄帶激光是由左右光柵反射區(qū)和相位區(qū)的輸入電流進(jìn)行的聯(lián)合調(diào)節(jié)。

MG-Y激光器波長(zhǎng)調(diào)諧原理如圖3所示,激光器左右光柵反射區(qū)由于其柵格的差異性,光束經(jīng)過(guò)左右光柵區(qū)會(huì)形成兩種不同間隔的梳狀反射譜,基于游標(biāo)卡尺效應(yīng),兩光束的反射率耦合疊加后,在某一點(diǎn)便會(huì)輸出特定波長(zhǎng)的光束。通過(guò)調(diào)節(jié)改變左右光柵區(qū)調(diào)諧電流的大小,調(diào)節(jié)控制重合峰的位置,便可實(shí)現(xiàn)C波段范圍內(nèi)的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)[8]。對(duì)相位區(qū)的電流控制可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)小范圍的調(diào)整,這3路電流的共同作用,可以使得激光器輸出在C波段內(nèi)不同波長(zhǎng)的激光。

圖3 MG-Y 激光器波長(zhǎng)調(diào)諧原理

MG-Y激光器由現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)利用SPI總線協(xié)議通過(guò)對(duì)MAX5113數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行控制,進(jìn)而對(duì)激光器的輸出波長(zhǎng)與光強(qiáng)進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)

FPGA控制激光器主要原理是通過(guò)時(shí)序控制,短時(shí)間改變3路電流值,實(shí)現(xiàn)激光器波長(zhǎng)的切換,并在3路電流全部切換完成并計(jì)數(shù)一段時(shí)間保持穩(wěn)定后輸出激光器波長(zhǎng)切換穩(wěn)定標(biāo)志信號(hào)。增益區(qū)設(shè)定某一電流控制激光輸出光強(qiáng)的大小。通過(guò)波長(zhǎng)標(biāo)定獲取MG-Y激光器在C波段的“電流-波長(zhǎng)”查找表[9]。依據(jù)波長(zhǎng)線性增長(zhǎng)的順序設(shè)計(jì)FPGA掃頻程序,最終實(shí)現(xiàn)激光器在C波段的線性掃描[10]。同時(shí)發(fā)送每束激光發(fā)射穩(wěn)定后的標(biāo)志信號(hào)與每個(gè)掃描周期開(kāi)始標(biāo)志信號(hào),實(shí)現(xiàn)激光器與光譜采集系統(tǒng)的聯(lián)合控制。

2.2 光纖法珀傳感器光譜采集系統(tǒng)

光譜采集系統(tǒng)主要由FPGA核心板、AD7606采集模塊與RS485串口發(fā)送模塊共同組成[11]。光譜采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 光譜采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

采集模塊在接收到激光器掃描周期開(kāi)始信號(hào)后進(jìn)入采樣狀態(tài),并賦予幀頭信號(hào)。隨后在接收到激光器波長(zhǎng)切換穩(wěn)定標(biāo)志信號(hào)后開(kāi)啟觸發(fā)采樣,對(duì)每束激光的信號(hào)進(jìn)行多次采樣,并將噪聲信號(hào)去除后的所有信號(hào)進(jìn)行平均,使得每束特定波長(zhǎng)值的激光都被采集且唯一輸出。最后將激光器掃描周期結(jié)束信號(hào)編寫(xiě)幀尾,并將幀頭幀尾信號(hào)與穩(wěn)定采集的掃描周期內(nèi)的每束激光的信號(hào)一起打包。由于上位機(jī)只是被動(dòng)接收數(shù)據(jù),所以本文采用RS485串口進(jìn)行發(fā)送,對(duì)串口發(fā)送模塊的控制是通過(guò)狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方式將數(shù)據(jù)分為高低8位。在發(fā)送低8位結(jié)束后,切換下一周期的激光信號(hào)繼續(xù)進(jìn)行掃描。

2.3 LabVIEW上位機(jī)算法設(shè)計(jì)

本文腔長(zhǎng)解調(diào)算法的實(shí)現(xiàn)與顯示是由LabVIEW軟件編寫(xiě)的上位機(jī)完成。LabVIEW上位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6 上位機(jī)工作流程圖

上位機(jī)軟件利用順序結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路,通過(guò)將接收到的8位串口數(shù)據(jù)按照幀頭檢測(cè)[12]、隊(duì)列進(jìn)出、數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)合并等數(shù)據(jù)處理,完成對(duì)每個(gè)周期光譜信息的數(shù)據(jù)處理[13],利用LabVIEW上位機(jī)自帶的傅里葉頻譜分析控件進(jìn)行設(shè)計(jì),與法珀傳感器傅里葉頻率測(cè)量解調(diào)法進(jìn)行結(jié)合,完成對(duì)法珀傳感器初始腔長(zhǎng)的獲取;利用上位機(jī)擬合控件與法珀傳感器雙光束干涉公式進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì),完成對(duì)法珀傳感器最終精準(zhǔn)腔長(zhǎng)的獲取[14-15],最后,利用上位機(jī)顯示控件實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)光譜和解調(diào)腔長(zhǎng)的實(shí)時(shí)顯示。

3 實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)采用可調(diào)諧激光器代替光譜儀實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的掃描,為了驗(yàn)證信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)法珀傳感器腔長(zhǎng)解調(diào)的準(zhǔn)確性,搭建如圖2所示的信號(hào)處理系統(tǒng)。將腔長(zhǎng)為96.207 μm的傳感器分別接入光譜分析儀與法珀傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比,圖7為光譜分析儀得到的光譜圖與信號(hào)處理系統(tǒng)的光譜圖。

圖7 光譜儀光譜圖與信號(hào)處理系統(tǒng)光譜圖

對(duì)比兩光譜圖可知,二者采集的光譜圖極值位置一致,驗(yàn)證了光譜采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,由于系統(tǒng)使用激光光源,因此采集得到的反射光譜強(qiáng)度對(duì)比光譜儀采集到的光譜強(qiáng)度有所提高。

將不同腔長(zhǎng)的傳感器分別接入光譜分析儀與法珀傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比,光譜儀解調(diào)腔長(zhǎng)與系統(tǒng)解調(diào)腔長(zhǎng)的對(duì)比圖如圖8所示。表明本文設(shè)計(jì)的基于MG-Y激光器的法珀傳感器處理系統(tǒng)解調(diào)得到的結(jié)果與光纖解調(diào)儀結(jié)果一致。

圖8 光譜儀解調(diào)腔長(zhǎng)與系統(tǒng)解調(diào)腔長(zhǎng)對(duì)比圖

將固定腔長(zhǎng)的傳感器接入本文所設(shè)計(jì)的法珀傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)解調(diào),解調(diào)結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出,信號(hào)處理系統(tǒng)解調(diào)的腔長(zhǎng)波動(dòng)為14 nm,解調(diào)標(biāo)準(zhǔn)差為5 nm,證明系統(tǒng)解調(diào)腔長(zhǎng)的一致性較好。表明該信號(hào)處理系統(tǒng)具有良好的工程意義。

圖9 固定腔長(zhǎng)傳感器解調(diào)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)激光器掃描程序的設(shè)計(jì)、信號(hào)處理系統(tǒng)的時(shí)序設(shè)計(jì)、LabVIEW上位機(jī)的算法與顯示程序的設(shè)計(jì)搭建了基于可調(diào)諧激光器的光纖法珀傳感器信號(hào)處理系統(tǒng),利用MG-Y可調(diào)諧激光器作為掃描光源,避免了傳統(tǒng)法珀傳感器解調(diào)時(shí)光譜儀的使用,可以實(shí)現(xiàn)光纖法珀傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)的小型化。選用AD7606作為模數(shù)采集模塊也為后續(xù)的多通道法珀傳感器的解調(diào)設(shè)計(jì)提供了便捷,方便后續(xù)的開(kāi)發(fā)。由于本文采用了LabVIEW上位機(jī)軟件對(duì)初始腔長(zhǎng)進(jìn)行擬合處理,速度較慢,下一步可通過(guò)DSP電路完成最小二乘擬合算法,通過(guò)數(shù)字顯示屏輸出解調(diào)結(jié)果,從而實(shí)現(xiàn)光纖法珀傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)的快速運(yùn)算和儀器小型化。