摘要: 光纖光柵的傳感信息是采用波長編碼的方式進行的，解調的關鍵就是把傳感信息從波長編碼中完整地解調出來。文中介紹的光柵解調系統采用F － P 濾波器對ASE 光源進行掃描; 采用FPGA 作為控制核心; 采用DM9000A 完成網絡接口設計，在FPGA 內部實現了對光柵傳感信號質心解調算法的程序設計和以太網接口控制程序的設計，FPGA 具有多通道高速同步解算的能力，在對F － P 濾波器500 Hz 的掃描速率下，很好地實現了光纖光柵波長的同步實時解算。解調系統的解調精度可達到2 pm 左右。

0 引言

各類光纖光柵傳感器中，準分布式光纖Bragg 光柵( FBG) 傳器陣列應用最為廣泛，其特點主要在于以反射光中心波長( Bragg 波長) 為測量量，不受光源功率波動、光纖微彎效應及耦合損耗等因素的影響。光纖布拉格光柵作為波長調制型傳感器，將被測信息轉化為布拉格光柵中心波長的移動，通過從測得的光信號中解調出中心波長漂移，就可實現對被測信息的測量。而目前對光柵波長隨著外界被測物理量微小變化的檢測，最常用的方法包括邊緣濾波器法、可調諧濾波器法、以及基于可調諧半導體激光器或掃描光纖激光器的解調方法等，信號處理方法又包括直接比較法、質心法( 又叫功率加權法) 、高斯擬合法等，同時還有結合數字濾波的解調方法等［1］。設計一種基于以掃描光纖激光器設計的光柵傳感系統，將信號用12 位A/D 采集模塊采入計算機，通過高性能FPGA 可編程器件實現質心法信號處理，然后通過網口把解算結果輸出到PC 機并加以顯示。

1 系統總體設計

光纖光柵解調系統主要由傳感光路與FPGA 采集處理電路2 部分組成，如圖1 所示。

其主要工作原理: 在由FPGA 控制板產生的鋸齒波及ASE光源驅動下，由F － P 濾波器構成的掃描光纖激光器發出激光，激光器波長的掃描通過在濾波器上加由FPGA 產生原始三角波控制D/A 輸出的高壓三角波實現。其輸出的光經光纖耦合器分成2 份，1份用于實時校準，用帶波長標記的FP 標準具實現掃描激光波長的實時校準［2］，保證波長重復精度，其輸出的光直接接到光電探測器( PD) ; 1 份用于光柵解調通道。在光柵解調通道，將傳感光柵的反射光耦合到PD。各探測器輸出的信號由A/D 轉換器量化后直接由FPGA 進行質心法波長解調算法處理，處理后得到的數據再通過以太網接口傳輸到計算機進行進一步的解算、存儲和顯示。

2 質心法波長檢測原理

質心原理［3］是根據力矩平衡原理推導出來的，即密度均勻物體各點的質量對某一軸產生的力矩和，等于其所有質量集中在某一特定位置時對該軸產生的力矩，該特定位置就是物體的質心，可表示為式( 1) :

?

3 系統設計的FPGA 實現

FPGA 采集處理電路的硬件組成如圖2 所示。

圖中，PGA 硬件電路主要完成LVDS 接口的處理、算法的實現、FIFO 的控制、時鐘管理模塊的處理、三角波信號生成以及以太網的控制等。而FPGA 控制、解算模塊是設計中的重要環節，它控制著信號的質心解算、以太網接口等。