基于FPGA的光栅解调系统的设计

摘要: 光纤光栅的传感信息是采用波长编码的方式进行的，解调的关键就是把传感信息从波长编码中完整地解调出来。文中介绍的光栅解调系统采用F － P 滤波器对ASE 光源进行扫描; 采用FPGA 作为控制核心; 采用DM9000A 完成网络接口设计，在FPGA 内部实现了对光栅传感信号质心解调算法的程序设计和以太网接口控制程序的设计，FPGA 具有多通道高速同步解算的能力，在对F － P 滤波器500 Hz 的扫描速率下，很好地实现了光纤光栅波长的同步实时解算。解调系统的解调精度可达到2 pm 左右。

0 引言

各类光纤光栅传感器中，准分布式光纤Bragg 光栅( FBG) 传器阵列应用最为广泛，其特点主要在于以反射光中心波长( Bragg 波长) 为测量量，不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素的影响。光纤布拉格光栅作为波长调制型传感器，将被测信息转化为布拉格光栅中心波长的移动，通过从测得的光信号中解调出中心波长漂移，就可实现对被测信息的测量。而目前对光栅波长随着外界被测物理量微小变化的检测，最常用的方法包括边缘滤波器法、可调谐滤波器法、以及基于可调谐半导体激光器或扫描光纤激光器的解调方法等，信号处理方法又包括直接比较法、质心法( 又叫功率加权法) 、高斯拟合法等，同时还有结合数字滤波的解调方法等［1］。设计一种基于以扫描光纤激光器设计的光栅传感系统，将信号用12 位A/D 采集模块采入计算机，通过高性能FPGA 可编程器件实现质心法信号处理，然后通过网口把解算结果输出到PC 机并加以显示。

1 系统总体设计

光纤光栅解调系统主要由传感光路与FPGA 采集处理电路2 部分组成，如图1 所示。

其主要工作原理: 在由FPGA 控制板产生的锯齿波及ASE光源驱动下，由F － P 滤波器构成的扫描光纤激光器发出激光，激光器波长的扫描通过在滤波器上加由FPGA 产生原始三角波控制D/A 输出的高压三角波实现。其输出的光经光纤耦合器分成2 份，1份用于实时校准，用带波长标记的FP 标准具实现扫描激光波长的实时校准［2］，保证波长重复精度，其输出的光直接接到光电探测器( PD) ; 1 份用于光栅解调通道。在光栅解调通道，将传感光栅的反射光耦合到PD。各探测器输出的信号由A/D 转换器量化后直接由FPGA 进行质心法波长解调算法处理，处理后得到的数据再通过以太网接口传输到计算机进行进一步的解算、存储和显示。

2 质心法波长检测原理

质心原理［3］是根据力矩平衡原理推导出来的，即密度均匀物体各点的质量对某一轴产生的力矩和，等于其所有质量集中在某一特定位置时对该轴产生的力矩，该特定位置就是物体的质心，可表示为式( 1) :

 

3 系统设计的FPGA 实现

FPGA 采集处理电路的硬件组成如图2 所示。

图中，PGA 硬件电路主要完成LVDS 接口的处理、算法的实现、FIFO 的控制、时钟管理模块的处理、三角波信号生成以及以太网的控制等。而FPGA 控制、解算模块是设计中的重要环节，它控制着信号的质心解算、以太网接口等。