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分类号：TP212学校代码：10406学号：130085202011南昌航空大学硕士学位论文（专业学位研究生）基于FPGA和F-P滤波器的光纤光栅解调系统作者：龚强导师：万生鹏教授申请学位级别：硕士学科、专业：光学工程所在单位：测试与光电工程学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：南昌航空大学 TheSystemofFiberGratingDemodulationBasedonFPGAandF-PFilterADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterOnOpticalEngineeringByGongQiangUndertheSupervisionofProf.WanShengpengSchoolofMeasuringandOpticalEngineeringNanchangHangkongUniversity,Nanchang,ChinaJune.2016 摘要光纤布拉格光栅（FiberBraggGrating,FBG）作为新型光传感器件，较传统电传感器具有耐腐蚀、精度高、抗电磁干扰、分布式传感等优势，已被广泛应用于安全监测、建筑结构、航空航天等领域。而光纤光栅解调系统一直是光纤光栅传感技术研究的重点和难点，因此设计出一套低成本、高精度的解调系统对光纤传感技术的发展具有重要意义。本文从光纤光栅传感理论出发，结合实际工程应用需求，详细分析比较了5种常用解调方式，选择基于可调谐光纤法布里-珀罗（FFP）滤波器设计和研制一套光纤光栅解调系统。在测试和分析系统光路及核心部件性能后，根据FFP的扫描特性使用FPGA生成FFP驱动电源。接着针对FFP压电陶瓷（PZT）的非线性特性，通过在FPGA中使用直接频率合成（DDS）技术对其进行线性补偿。最后以FPGA为核心，设计A/D数据采集模块、串口发送与接收等硬件功能模块，成功实现了传感光栅反射谱数据的采集及FPGA与上位机之间的通信。本文基于LabVIEW平台开发上位机软件系统，首先通过编程实现了上位机对FPGA串口上传数据的接收和实时显示的功能。其次，为了从有限数据中实现较精确的布拉格波长测量，提出采用L-M算法对光栅反射光谱进行拟合，得到反射光谱的峰值位置，从而实现温度/应变的测量。最后，为解决FFP自身的漂移等问题对系统测量精度的影响，提出串联一根应力传感光栅对波长进行标定的方法，使用应力标定光栅和待测温度传感光栅反射光的中心波长差对待测光栅中心波长进行修正，提高了光栅反射峰中心波长的测量精度。经测试，本系统在采用波长拟合及定标光栅后，系统解调中心波长漂移小于15pm，结合所使用的传感光栅温度波长敏感系数27.3pm/℃,系统温度解调精度小于0.55℃。关键词：FPGA，F-P滤波器，LabVIEW，光纤光栅I AbstractAsanovelopticalsensor,fiberbragggratinghassomeadvantagesofcorrosionresistance,highprecision,antielectromagneticinterference,distributedsensingcomparedwiththetraditionalelectricalsensor,andithasbeenwidelyusedinsecuritymonitoring,construction,aerospaceandotherfields.Thefibergratingdemodulationsystemhasbeenthefocusanddifficultyintheresearchoffibergratingsensingtechnology,itisveryimportanttodesignalowcost,highprecisiondemodulationsystemforthedevelopmentofthefiberopticsensingtechnology.Fivekindsofcommonlyuseddemodulationmethodsisdetailedanalysisandcomparisonbasingonthetheoryoffibergratingsensorandaccordingtotherequirementofpracticalengineeringapplication.BasedontunablefiberFabry-Perotfilterafibergratingdemodulationsystemisdesignedanddeveloped.FPGAisusedtogeneratethedrivingpowerofthetunableF-PcavitybasedonthescanningcharacteristicsofF-Paftertestingandanalyzingtheperformanceoftheopticalpathandthecorecomponentsofthesystem.Then,accordingtothenonlinearcharacteristicsofFFPpiezoelectricceramics,thelinearcompensationiscarriedoutbyusingthedirectfrequencysynthesistechniqueinFPGA.Finally,A/Ddataacquisition,serialtransmissionandreceptionandotherhardwaremodulesinFPGAwasdesigned,sensinggratingreflectivespectrumdataacquisitionandFPGAcommunicationwiththehostcomputerissuccessfullyimplemented.Inthispaper,thehostcomputersoftwaresystemisdevelopedbasedonLabVIEWplatform.Firstofall,hePCsoftwaretoacceptanddisplayreal-timeFPGAserialuploaddatafunctionisrealized;Secondly,inordertoachieveamoreaccuratemeasurementofPraguewavelengthfromthelimiteddata,thispaperproposestheuseofL-Malgorithmtofitthegratingreflectionspectrum.Byfittingtheobtainedspectralreflectancepeakposition,inordertoachievethetemperature/strainmeasurement.finally,Finally,inordertosolvetheproblemofFFP'sowndriftandotherissuesonthemeasurementaccuracyofthesystem,thispaperpresentsamethodofmeasuringthewavelengthofastrainsensinggratinginseries.Themeasuredgratingcenterwavelengthiscorrectedbyusingthestresscalibrationgratingandthecenterwavelengthdifferenceofthereflectedlightofthetemperaturesensinggratingtobemeasured.Bydoingthis,themeasurementaccuracyofthecenterwavelengthofthegratingreflectedlightwaveisimproved.II Aftermanytimesoftestandmeasurement,thedemodulationsystemofcentralwavelengthdriftlessthan15pmafterusingwavelengthfittingandcalibrationgrating,combinedwiththeuseofwavelengthofsensinggratingtemperaturesensitivitycoefficient27.3pm/DEGC,systemtemperaturedemodulationprecisionislessthan0.55degrees.Keywords:FPGA，F-Pfilter，LabVIEW，OpticalFiberBraggGratingIII 南昌航空大学硕士学位论文目录目录摘要..................................................................................................................................................IAbstract.........................................................................................................................................II目录...............................................................................................................................................IV第1章绪论...................................................................................................................................11.1引言.................................................................................................................................11.2光纤光栅传感技术的发展现状....................................................................................21.3课题研究的目的和意义................................................................................................31.4本文主要研究内容及结构安排....................................................................................3第2章光纤光栅传感机理及解调技术......................................................................................52.1光纤光栅传感机理........................................................................................................52.2光纤光栅传感常用解调方式介绍................................................................................62.2.1光谱仪解调法....................................................................................................62.2.2匹配光栅解调法................................................................................................72.2.3边沿滤波解调法................................................................................................82.2.4体光栅动态解调法............................................................................................92.2.5可调谐光纤法布里-珀罗（FFP）滤波式解调法...........................................92.3本章小结.......................................................................................................................11第3章基于FPGA和F-P滤波器的光纤光栅解调系统..........................................................123.1解调系统整体设计......................................................................................................123.2解调系统的硬件核心器件测试..................................................................................123.2.1系统光源性能介绍..........................................................................................133.2.2可调谐光纤F-P滤波器性能介绍..................................................................143.2.3光电探测器性能介绍......................................................................................163.3解调系统的硬件设计开发环境..................................................................................163.3.1QuartusII编程环境.........................................................................................163.3.2In-SystemSourcesandProbesEditor....................................................173.3.3虚拟逻辑分析仪SignalTap...........................................................................173.4解调系统的上位机软件开发环境..............................................................................183.5本章小结.......................................................................................................................19第4章解调系统硬件的设计....................................................................................................204.1硬件结构整体设计......................................................................................................204.2可调谐FFP驱动电路的设计......................................................................................204.3非线性补偿功能驱动电路的设计..............................................................................254.3.1DDS技术介绍...................................................................................................254.3.2基于DDS技术的F-P驱动电源设计..............................................................274.3.3补偿前F-P滤波器扫描特性..........................................................................274.3.4补偿后F-P滤波器扫描特性..........................................................................294.4.1A/D驱动控制模块...........................................................................................31IV 南昌航空大学硕士学位论文目录4.4.2串口发送模块..................................................................................................374.4.3串口接收模块..................................................................................................404.4硬件部分RTL整体设计..............................................................................................414.5本章小结.......................................................................................................................42第5章解调系统软件的实现....................................................................................................435.1上位机软件整体设计流程..........................................................................................435.2上位机设计流程...........................................................................................................435.2.1数据读取...........................................................................................................435.2.2基于L-M算法的光谱曲线拟合.....................................................................465.2.3光栅反射光谱重建..........................................................................................475.3系统性能及分析...........................................................................................................495.4本章小结.......................................................................................................................51第6章总结和展望....................................................................................................................526.1总结...............................................................................................................................526.2展望...............................................................................................................................53参考文献.......................................................................................................................................54攻读硕士学位期间发表论文及参加科研情况..........................................................................57致谢...............................................................................................................................................58附录...............................................................................................................................................59V 南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论第1章绪论1.1引言随着工业技术及生活水平的提高，在生产效率兼顾的情况下，安全检查及监测越来越引起社会的关注。传统的传感器以电信号作为载体，这样容易受到外部环境及其他电磁信号的干扰。光纤类型传感器则以光作为信息载体，通过解调光谱的功率、波长、相位、偏振态等信息推演出光纤传感器所处环境对应温度、应变等物理量的情况及变化。这使得光纤传感器具有以下几点优势[1]：1.光纤形状纤细，可以承受一定程度的弯曲。可埋入工程结构或贴附在结构表面。适用于空间受限的环境，如管道温度、桥梁臂内部应变监测等；2.耐腐蚀能力强。光纤涂覆层材料决定了其耐酸碱腐蚀能力强，适用于石油、电力等各种恶劣环境下进行长期监测；3.灵敏度和分辨率高。信号精度可小至微米量级。在使用波长解调技术时，分辨率甚至可以至纳米量级。4.抗电磁干扰能力强。光纤传感系统中，光作为信息载体，不会受周围电磁场的串扰，故具有抗电磁干扰能力。5.动态范围大，测量范围广，可测量温度、压力、湿度、浓度等环境变量[2,3]；6.复用性强，可组建分布式或多点式传感网络。7.制造工业技术成熟，易于购买，价格便宜。综上光纤光栅传感器所具有的诸多优势，该技术被广泛应用于船舶、航空航天、石油煤矿、健康监测等领域[4-7]。在石油煤矿生产活动中，对原油储罐、石油管道等温度的监测，该监测环境苛刻，具有腐蚀性且需要在无缘环境下完成实时监测，光纤光栅作为无源器件，其具有材料绝缘、耐腐蚀、易于安装且具有高精度等优点，适用于易爆易燃等恶劣环境。其次，光纤传感技术在桥梁等建筑结构的健康检测工作中。桥梁大坝等建筑的应变聚集区分布光纤传感器，可对易产生形变或裂纹的区域进行实时监测和报警。对于传感器的贴放方式，可采用埋入式或表面贴附式等，并将传感器并联或串联组网，现阶段已达到对结构健康的多点式或全分布式监测[8]。此外，在国防安全领域，光纤传感系统大量应用于对飞机发动机等重要组件1 南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论的温度和应变的实时监测。1.2光纤光栅传感技术的发展现状1978年，掺锗光纤被制成及其光敏性被发现后，加拿大专家K.O.Hill[9]等人制作出历史上第一根光纤光栅。1989年，美国的G.Meltz[10]等通过光纤布拉格光栅的外部写入法，使用两束干涉紫外光从侧面写入光栅，并且通过改变双光束的夹角来控制布拉格波长，到此，布拉格光纤光栅滤波器被成功研制。之后，英国、美国、日本等国研究人员对光纤传感技术在建造业的应用进行了大量研究。1993年，相位掩膜法被K.O.Hill[11]等人提出，这种方法降低了对光源相干性得要求，且重复性较好，使得光纤光栅的大规模生产成为了可能。同年，P.J.Lemaire[12]等人提出低温高压载氢方法，光纤的光敏特性被增强。同年，Kersey[13]等人提出一种基于可调谐光纤F-P滤波的解调方法。该方案将光纤F-P滤波器（FFP）嵌入压电陶瓷（PZT）中，通过改变PZT所加载电压，使得F-P透过峰波长变化，从而可以扫描出对应电压下光纤光栅的反射光波。2004年，Nunes[14]等人提出多个滤波器协同解调方案，该方案较单一滤波器具有更高的精度。2016年，美国国家仪器公司成功研制出无需后校准，采用频率调制，在无需信号处理的情况下可传播10km以上的光纤布拉格光栅应变测量新方案。相比于国外，国内直到上世纪末期才开始对光纤传感技术进行研究。1997年，华南师范大学的杜卫冲[15]等人使用铝材料封装光纤布拉格光栅（FBG）来提高其温度灵敏度，通过实验验证该FBG的温度灵敏度为0.038nm/oC，三倍于裸光纤光栅。同年，重庆大学江毅[16]等人分析FBG的应力/温度传感原理，通过实验验证FBG对温度/应变同时解调。2005年，清华大学的李营[17]通过加入固定波长参考光栅，对传感光栅进行差值处理，进一步消除了FFP腔长漂移的影响。2009年，大连理工大学的张磊[18]等人通过分离光纤F-P与FBG串联复用结构，消除了二者叠加串扰的影响，使得FFP解调数据最大离散低于0.2nm，FBG反射中心波长误差低于0.7pm。2013年，七一五研究所何少灵[19]等人将光纤光栅应用于对水深的实时测量，在200m水深范围内，精度达到0.85m。2015年，南京大学光通信工程研究中心杨刚[20]等人将频谱分区来从而完成高精度光纤光栅波长解调系统，该系统稳定度为0.97pm，分辨率低至0.33pm。2 南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论1.3课题研究的目的和意义光纤布拉格光栅（FBG）传感器[21]作为无源器件，具有其他电子类传感器无法比拟的优势，在生产生活中也具有更高的应用价值和经济效应。光纤光栅传感系统在国内已经初具规模，但仍有许多关键器件问题需要进一步解决和研究。尤其在光纤光栅系统的解调设计方面，高精度、低成本的解调方案仍急需被提出。光纤光栅传感解调系统的性能，关键在于如何高速、高精度提取光纤光栅反射波中心波长的偏移量问题,光纤光栅解调器的精度和速度决定了光栅传感的准确性和实时性等性能。市场上大部分解调系统多来自国外，国内高校和公司虽有研制出可行的解调方案，但性能较国外产品仍有较大差距。本课题的目的是设计并开发出一套精度高、成本低且具有工程应用价值的光纤光栅解调系统。本文设计一套基于FPGA与FFP协同工作的光纤光栅解调系统，并在LabVIEW开发环境下，设计配套友好上位机界面控制显示，其具有在性能可满足工程使用，系统方面体积小易于集成，成本方面价格低廉等特点。本文研究具有以下创新点：1.根据FFP扫描非线性，使用DDS技术对其进行非线性补偿；2.在温度解调系统中加入应力传感光栅对波长进行标定，从而提高系统对传感光栅反射光波波长解调的精度。1.4本文主要研究内容及结构安排本文主要基于FPGA和光纤F-P滤波器搭建硬件系统部分，并在LabVIEW编程环境开发出配套的上位机界面，从而完成光纤光栅温度解调系统。该套基于FPGA控制的光纤F-P滤波式的光纤布拉格光栅解调系统具有高速、高精度、低功耗和强工程实用性等特点。本文首先介绍了光纤布拉格光栅传感机理，对常见的光纤光栅解调方式做了分析与对比后，选择光纤F-P滤波式解调方式。使用FPGA控制12bit数模转换芯片TLV5618产生锯齿波电压源，驱动FFP滤波器，使其对光纤光栅的反射光波进行扫描解调；接着，对FFP的线性度做了进一步研究；使用FPGA控制模数转换芯片TLC549完成对光电转换器输出电信号的数据采集，并在FPGA内部对信号进行处理后，通过串口通信方式实现FPGA与上位机的协作通信，最终在上位机显示布拉格光栅返回光波的中心波长数值及其变化量，从而反演出传感光栅所处温度的变化情况。论文的详细章节安排如下：3 南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论第1章：绪论部分。主要介绍本文的选题依据、课题研究意义，同时对布拉格光栅传感技术发展和国内外研究进展做了详细介绍与分析。第2章：光纤光栅传感机理及解调技术。简述光纤光栅传感机理，详细介绍光纤光栅不同解调方式，并做了对比和分析，选定本课题选用光纤F-P解调方式。第3章：基于FPGA的FFP滤波式光纤光栅解调系统。详细分析本文所采用的解调系统的整体结构，包括光路的搭建、硬件编程环境、上位机软件编程环境等。第4章：解调系统的硬件部分实现。本章详细阐述以下几方面内容：1.基于FPGA控制数模转换器TLV5618生成适配于FFP压电陶瓷特性的驱动电压；2.研究FFP的非线性效应，并在FPGA内使用DDS技术对FFP驱动进行非线性补偿；3.设计基于TLC549的数据采集系统；4.开发串口通信收发模块用于FPGA与上位机间通信。第5章：解调系统的上位机软件实现。在LabVIEW开发环境中，调用串口接收及串口发送模块，使用友好界面显示波形，接着基于L-M算法对传感光栅返回光谱进行拟合，成功反演FBG反射谱波长等信息并转换为温度信息，最后结合实验分析了解调系统的性能。第6章：总结研究内容，分析并指出本课题不足以及今后研究可参考的改进与提高。4 南昌航空大学硕士学位论文第2章光纤光栅传感机理及解调技术第2章光纤光栅传感机理及解调技术2.1光纤光栅传感机理光纤传感技术[22]的核心是光纤，光波可以在其中心传播。光纤主要由三个部分组成：纤芯（core），包层（cladding）和保护层（buffercoating）。通过这样的三层结构使得光在光纤中以全反射方式进行传输。光纤布拉格光栅（FBG，FiberBraggGrating），作为无源器件，FBG是光纤的纤芯折射率在轴向被周期性调制后，构成的衍射光栅。光栅光纤具有体积小、易贴附、适宜埋入等优点，并且谐振波长对于外界温度、应变等环境变量的变化敏感，因此被广泛应用于通信、传感等领域。光纤材料具有光敏感特性，通过使其沿纤芯的轴向折射率周期性变化，在空间上形成永久性的相位光栅。当有光射入光纤光栅时，只有满足布拉格条件波长的光被反射，其他波长的光透射。当外界环境变量变化，即布拉格条件被改变，反射光中心波长将产生相应改变。光纤光栅传感原理：图2-1光纤光栅传感原理FBG的bragg中心波长：B2neff(2-1)式中，neff为光栅的有效折射率，为光栅的周期。当FBG所处的外界环境敏感变量变化时，有效折射率neff和周期也将对应发生变化。解调系统通过解调反射波中心波长的大小和改变量，即可解调出外界环境5 南昌航空大学硕士学位论文第2章光纤光栅传感机理及解调技术对应敏感变量的变化。在实际工程应用中，传感光栅多用于对环境变量应变及温度的监测，本文着重介绍温度及应变这两个环境变量对光纤光栅传感系统的影响。对于温度及应变双变量同时敏感的FBG，反射波的波长与温度变化量T及轴向应变的变化量的关系为：B()T(1P)z(2-2)B式中，为FBG热膨胀系数，为热光系数，Pz为应变灵敏系数，Pz的值由光纤光栅的纤芯泊松比、光栅折射率及弹光系数决定。其中和均为常量（光纤66光栅的材料为石英，一般情况下，0.5510/℃，6.6710/℃。而只对温度敏感FBG或只对应力敏感的光栅则可将另一变量的影响忽略。通过解调得到布拉格中心波长B及其变化量B，即可推演出外界环境温度及应力的变化情况。2.2光纤光栅传感常用解调方式介绍2.2.1光谱仪解调法传统解调法多应用于实验室条件，其结构原理如图2-2所示。图2-2光谱仪解调法光谱仪解调法即使用单色仪、光谱仪等光学设备直接实时读取FBG反射光谱谱形。FBG反射光谱经过环形器后直接由光谱仪进行接收并直观显示，可在光谱仪显示界面直接读取反射光谱中心波长及其漂移量。该解调方法虽然在功能上可以实现，但总体运行成本过高、体积太大、稳定性差，极不适和工程化应用，因此不具有实用性。光谱仪解调法虽然拥有以上诸多缺点，但该方法可以在实验室阶段配合其他解调法来方便直观地得到光纤布拉格光栅反射光波的中心波长信息和漂移等信息。6 南昌航空大学硕士学位论文第2章光纤光栅传感机理及解调技术2.2.2匹配光栅解调法匹配光栅解调法[23,24]根据解调光的不同类型，可分为透射光解调型和反射光解调型。匹配光栅解调法采用可调谐光栅进行检波，该可调谐光栅嵌在压电陶瓷内，并与传感光栅波长相匹配。通过改变压电陶瓷上所加载的电压来控制匹配光栅中心波长位置的改变，从而实现对传感光栅反射光谱或透射光谱的检测。图2-3光纤光栅匹配滤波解调系统匹配光栅解调法分为反射式和透射式，如图2-3反射式解调原理如下：光源发出传感光，经过耦合器后进入传感光纤光栅阵列，光被调制携带传感信息，反射光再次经过耦合器后，进入匹配光栅反射后被光电探测器接收，光电探测器完成信号从光量到电量的转换后，由模数转换芯片或数据采集卡采集，经滤波放大二次滤波等处理后，上传至计算机处理显示。匹配光栅反射谱R()分布为：2(B)R()RexpB4ln2(2-3)B式中，B为匹配光栅的中心波长，RB为匹配光栅的峰值反射率。同样的，匹配光栅反射谱R0()为：2(s)R0()I0Rsexp4ln2(2-4)s式中，B为传感光栅的中心波长，RB为传感光栅的峰值反射率。I0为入射光的光强，s为反射光的3dB带宽。进入光电探测器的光束光强为匹配光栅与传感光栅两路反射谱的卷积，其强度I()为：7 南昌航空大学硕士学位论文第2章光纤光栅传感机理及解调技术I()IR()R()0s(2-5)其中，为光路系统的损耗系数。带入式（2-4）及式（2-5），得到光电探测器接收到的光功率为：'''P(λ)DI(λ)dλβI0R(λ)R(λλ)dλs(2-6)外界环境影响下的光纤光栅B会产生一定的偏移量，控制匹配光栅压电陶瓷的驱动电压使匹配光栅的反射条件改变，从而对传感区的待测光纤光栅返回光波进行扫描，当B与s相同时，探测器获得接收光功率的最大值。匹配光栅解调法结构相对简单，检测精度较高，但是需要匹配光栅与传感光栅对应匹配，这对工程要求相对严苛；另外，当传感光纤光栅组网时，使用多个PZT驱动不同匹配光栅使得系统误差显著增加。2.2.3边沿滤波解调法边沿滤波解调法[25,26,27]的原理是使待解调光谱通过具有线性光波边缘的滤波器。滤波器需在一定波长范围内线性工作。如图2-4所示，在设计解调系统时，通过合理地配置传感光栅的初始布拉格条件，使得其反射光波的中心波长动态范围处在边沿滤波器的线性工作区间内，这样当光纤光栅传感器因外界环境变量发生改变时，波长发生漂移，其反射光经过线性区滤波后输出光强发生对应变化，从而得到波长值与输出光功率对应的线性关系表达式。定标之后，通过输出的光功率值即可反推出反射光谱的波长值及其变化情况。图2-4边沿滤波解调原理边沿滤波解调法具有很好的线性输出，方便用户对信号的处理工作，但滤波器本身的稳定性和线性区的范围对该方法形成了一定的局限性。8 南昌航空大学硕士学位论文第2章光纤光栅传感机理及解调技术2.2.4体光栅动态解调法体相位光栅解调的系统[28,29,30,31]结构如图2-5所示。宽带光源发出的光信号经过隔离器和耦合器，经传感光栅调制反射，反射光再次进入耦合器后进入其后端连接的体光栅阵列中。经光路选择，不同波长的光照射在体光栅内不同的像元上，各像素点将光信号转换为对应的电信号后，由模数转换芯片在控制器控制下完成对当前各像素点信息的数据采集，从而得到传感光纤反射光的波长及变化情况。图2-5体光栅动态解调原理体相位光栅解调法操作简单，响应速度较快，但其精度受到像元数量等多个因素的严重影响，且定标工作具有相当难度。2.2.5可调谐光纤法布里-珀罗（FFP）滤波式解调法可调谐FFP由嵌在压电陶瓷内的两个镀了高反膜纤芯的光纤端面及两个端面间的空隙组成。两个端面及其中间空隙形成F-P腔，在压电陶瓷上所加载的驱动电压发生改变时，压电陶瓷发生磁致伸缩，导致端面间空隙大小发生改变，即F-P腔的腔长发生了变化，从而使F-P滤波器透过峰的中心波长被调谐。其结构图如图2-6所示：图2-6可调谐FFP结构图9 南昌航空大学硕士学位论文第2章光纤光栅传感机理及解调技术如图，L1和L2两块透射镜，h为F-P腔的腔长，两块构成F-P腔的高反射镜面随压电陶瓷的伸缩产生位置变化，从该使F_P干涉腔的腔长改变。光入射F-P腔后，经L1和L2两个端面多次反射，其中特定波长的光波会返回，形成反射光波，其余光波从F-P腔透射。由多光束干涉原理，光束垂直入射时，F-P谐振腔的透射率TR为：2It(1R)mTR(2-7)Ii222nh(1R)m4Rsin(m)其中，Rm为F-P腔反射镜面的反射率，Ii为入射光功率，It为透射光功率，h为F-P腔的腔长，n为光纤折射率。光纤F-P腔输出光波的中心波长为:2nhk=1，2，3……(2-8)k由式2-8，F-P腔具有选择特定波长透射的能力，且透过峰中心波长的大小与F-P腔的腔长成正比关系。因此，以通过调节加载在PZT上的驱动电压大小来调节腔长，从而选择所需波长的光波透射，即完成滤波功能。图2-7可调谐FFP解调结构简图图2-7为基于可调谐FFP的光纤光栅波长检测系统[32-35]简图。系统工作原理如下，宽带光源发射的光波单向经过隔离器后，进入耦合器，并从耦合器下一端口发射，经传感光栅FBG调制后反射，反射光再次由耦合器连接传感光栅端口进入，从耦合器下一端口发射进入可调谐FFP，可调谐FFP被嵌在压电陶瓷内。根据压电陶瓷特性，给其加载一个线性增长的锯齿波驱动电压信号，使FFP近似线性扫描滤波，当可调谐FFP的选通光波波长位置与传感光栅反射光有重合部分时，便有光通过，当F-P滤波器的透射位置与传感光栅反射光波完全匹配时，光电探测器的输出功率取得最大值。此时，加载在FFP的驱动电压值可读取并记录，而该驱动电压的值与可调谐FFP透射峰的中心波长存在对应关系，故可通过读取驱动电压值来推导出传感光栅反射光的波长信息，进一步地由波长信息反演出环境敏感变量的大小和变化情况等。10 南昌航空大学硕士学位论文第2章光纤光栅传感机理及解调技术光电探测器输出电信号，由用户控制的ADC模数转换芯片或数据采集卡采集后，经处理由串口或USB等通信方式上传至上位机，上位机接收同步信号及有效数据，通过友好界面显示用户所需要的传感光栅反射波的中心波长及环境变量等信息。基于可调谐FFP的光纤光栅解调法较其他解调方式具有以下优势:1.精度高、轻便、适用于分布式光纤光栅温度或应变等传感系统；2.抽象的波长信息可以转换为FFP的驱动电压值存在一一对应关系，可通过电压的值推导出光波的波长值。3.系统理论成熟，实用性强，具有较好的发展前景。故本系统最终采用基于FPGA控制的可调谐FFP对光纤光栅温度传感进行解调。2.3本章小结本章首先对光纤光栅的传感原理进行介绍，分类介绍了传统解调法、匹配光栅解调法、边沿滤波解调法、体光栅动态解调法、可调谐光纤法布里-珀罗(FFP)滤波式解调法等常用的且技术较成熟的解调方法，结合每种解调方式特性进行分析比较后，结合实验室情况及工程应用的可行性，选择基于FPGA控制可调谐FFP的解调方法对光纤布拉格光栅传感进行解调。11 南昌航空大学硕士学位论文第3章基于FPGA的F-P滤波器的光纤光栅解调系统第3章基于FPGA和F-P滤波器的光纤光栅解调系统3.1解调系统整体设计基于可调谐F-P滤波式光纤光栅解调系统结构如图3-1：图3-1解调系统整体结构图由图3-1，该系统主要包括硬件设备及上位机软件两部分。图中，实线表示光路部分，实线箭头表示光路方向；空心箭头表示电路部分及信号方向。系统的工作原理如下：宽带光源发射的光波单向经过隔离器，进入耦合器A端，并从耦合器B端发射，经传感光栅FBG调制后反射，反射光再次由耦合器B端进入，从耦合器C端进入可调谐FFP中，可调谐FFP被嵌在压电陶瓷内。根据压电陶瓷特性，给其加载一个线性增长的锯齿波驱动电压信号，使其近似线性扫描滤波，当可调谐FFP的选通波长位置与传感光栅反射波的波长有重合部分时，便有光通过。当F-P滤波器的透射波与传感光栅反射光波完全匹配时，光电探测器的输出功率取得最大值。此时，加载在可调谐光纤F-P滤波器PZT上的驱动电压值可读取并记录，而该驱动电压的值与可调谐FFP的透过峰中心波长存在对应关系，故可通过读取驱动电压值来推导出波长信息。光电探测器输出电信号，经FPGA控制的ADC模数转换芯片采集后，经处理由串口通信上传至上位机，上位机接收同步信号及有效数据，通过友好界面显示用户所需要的传感光栅反射波的中心波长及环境变量等信息。3.2解调系统的硬件核心器件测试硬件包括两方面内容：光路系统的设计与搭建；电路系统的选型与编程控制。光路系统的设计与搭建，在上一小节中已详细介绍。12 南昌航空大学硕士学位论文第3章基于FPGA的F-P滤波器的光纤光栅解调系统另一方面则是电路系统的选型与编程控制。而电路系统的开发可分为一下几个部分：a.根据数模（D/A）转换芯片时序说明及功能实现手册，使用FPGA编程控制D/A转换芯片输出锯齿波电压信号，经过放大、滤波后驱动可调谐FFP有效扫描光纤布拉格调制后的反射光谱信号。b.按照模数（A/D）转换芯片使用FPGA编程控制A/C转换芯片完成对光电探测器转换后输出电信号的数据采集。c.使用FPGA编程将模数转换芯片采集到的数据进行处理，并通过串口通信协议上传到上位机。3.2.1系统光源性能介绍本系统所使用的光源为深圳维度有限公司所生产的ASE宽带光源。对其做了如图3-2测试：图3-2光源测试方法宽带光源的输出光谱，如图3-3：图3-3光源光谱图13 南昌航空大学硕士学位论文第3章基于FPGA的F-P滤波器的光纤光栅解调系统据测试，该宽带光源输出光功率为13.3dBm，中心波长为1550nm，光谱宽度1525nm-1568nm共43nm宽的有效光谱。长时间多次测试后，该光源性能稳定。3.2.2可调谐光纤F-P滤波器性能介绍图3-4可FFP透射光谱测试按图3-4方案连接设备，宽带光源发出的光波，单向通过隔离器后，直接进入已加载定值驱动电压的FFP，其实物图如图3-5，FFP后端直接接入光谱仪进行观测。得如图3-6，可调谐F-P滤波器的透过峰。图3-5FFP-TF2实物图图3-6FFP透过峰结合图3-6，本实验所搭载的光纤F-P滤波器性能为，其透过光波的半高宽为14 南昌航空大学硕士学位论文第3章基于FPGA的F-P滤波器的光纤光栅解调系统0.0929nm，略小于0.1nm。而本实验室两根光纤温度传感光栅的半高宽分别为0.3nm和0.2nm。满足解调要求。参考该可调谐FFP的说明书并结合实验结果本实验所使用的美国微光光学公司的FFP-TF2具有如表3-1性能：表3-1可调谐FFP性能指标TestDateTestWavelength1550nmFreeSpectralRange102nmFinesse1015Bandwidth0.0929nmTuningVoltage/FSR18VPackageTypeTF2TemperatureTest-20to80oC可调谐FFP两透过峰之间距离为自由光谱区（FSR）。本课题所使用的可调谐FFP的FSR为102nm，中心波长在1550nm附近，结合上述小节，本课题所使用的宽带光源的光谱范围为1525nm-1568nm共43nm范围，故在FFP扫描解调过程中只有一个透过峰对光源波段进行扫描，即不会发生FFP不同透过峰之间的串扰。当FFP压电陶瓷（PZT）上所加载的驱动电压每变化18V时，FFP完成对一个自由光谱区的扫描。可调谐FFP工作模式如图3-7：图3-7FFP工作模式当FFP压电陶瓷上的驱动电压线性增长时，FFP透过峰的位置随之线性变化而近似线性移动，对传感光栅的反射光波进行扫描。即FFP压电陶瓷所加载的电压值与其透过峰的中心波长存在对应线性关系[36,37]。15 南昌航空大学硕士学位论文第3章基于FPGA的F-P滤波器的光纤光栅解调系统3.2.3光电探测器性能介绍本系统所使用光电探测器带宽为6MHz，响应度为0.98A/W，灵敏度为-54dBm，噪声约为8uW。试验检测所使用的北京康冠光电公司生产的光电探测器的光电转换效率，响应速度，响应带宽等性能适合本解调系统使用。3.3解调系统的硬件设计开发环境Field-ProgrammableGateArray缩写FPGA[38,39]，即现场可编程门阵列。它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上发展而来的。FPGA已经在汽车电子、计算机与存储、军事与航空航天、医疗、无线通信、工业控制等多个领域被广泛应用。FPGA逻辑单元阵列,其内部包含了可配置的逻辑模块、内部连线和输入输出模块这三个部分。FPGA是通过向内部静态的存储单元加载用户编程的数据来实现逻辑的，存储器单元中存储的值决定该逻辑单元的功能及各个模块之间的或模块与I/O口间的连接方式，最终决定用户通过FPGA所要实现的整体功能。FPGA开发周期短，允许无限次编程。3.3.1QuartusII编程环境QuartusII[40,41]作为Altera公司定制的综合性PLD/FPGA开发软件，该软件具有界面友好、多种输入方式、支持开发全过程等特点。而所使用的QuartusII13.0版本则是综合了器件实用度、编译速度、稳定性、IP核丰富度等多方面因素的最佳选择。图3-8QuartusII开发界面16 南昌航空大学硕士学位论文第3章基于FPGA的F-P滤波器的光纤光栅解调系统整个开发流程主要包括以下几方面：1.从对系统整体框架的设计；2.使用VerilogHDL或原理图、IP核等多种方式设计所需电路；3.在QuartusII下综合电路；4.布局布线；5.仿真测试、逻辑验证；6.下载程序。3.3.2In-SystemSourcesandProbesEditor如图3-9，In-SystemSourcesandProbesEditor[42]作为在线调试工具之一，其主要包含两个部分：系统源（sources）和探测器（probes）。其中probe探针用于连接用户设计中的输出端口；而source信号线则用于连接用户设计中的输入端口，从而对外部输入信号进行模拟。主要通过JTAG链实现PC及FPGA间数据的传输和验证，无需外接测试设备。只需将探针连接至FPGA设计中的某些寄存器，即可在线调试该寄存器当前值与变化情况。其工作可选工作模式有单次探测和实时监测两种。具有实时和直观等特点。图3-9In-SystemSourcesandProbesEditor界面3.3.3虚拟逻辑分析仪SignalTapSignalTapII[43-46]如图3-10，其作为QuartusII提供的虚拟逻辑分析仪，用于板级验证时监测内部信号状态及变化。17 南昌航空大学硕士学位论文第3章基于FPGA的F-P滤波器的光纤光栅解调系统图3-10SignalTap界面首先在参数配置栏选择采样始终信号、触发类型、所使用的RAM类型等基本信息，接着添加所需要调试的参量，并设置不同信号的触发条件。这里对多个不同信号的触发条件设置具有多种形式，一种可直接忽略，另外可选择沿触发、电平触发，甚至可以在高级触发条件中，根据用户需求自定义触发条件。设置好上述参数后，正确连接JTAG链并配置文件，即可对待测信号按所选采样时钟信号进行采样。只有当所有信号的各个触发条件同时满足时，才会形成触发完成，并根据用户需求对触发点前后数据进行捕捉和有效显示。这样大大缩减了程序设计人员在定位时间问题上所耗费的时间和精力。3.4解调系统的上位机软件开发环境LabVIEW[47-50]，是实验室虚拟仪器集成环境的简称，是一种基于图形化编程语言G（Graph）语言的编程环境。在上位机开发过程中，使用G语言代替传统的文本编程语句和指令，LabVIEW则是基于数据流的编程，程序中各节点之间数据的流动方向决定了各函数及VI（Virtualinstrument）的执行顺序。也正因为LabVIEW使用的图形化语言，使得LabVIEW编程具有易于上手、简单直观等优势。LabVIEW提供了数据探针、动态显示执行流程、断电设置、单步调试等多种常用的程序调试工具，这些工具让数据传递的具体细节流程清晰呈现，从而使整个开发及调试过程更加方便。18 南昌航空大学硕士学位论文第3章基于FPGA的F-P滤波器的光纤光栅解调系统LabVIEW提供多种接口功能函数，其中包含RS232/485、GPIB、USB、PXI、PCI等主流通信方式，这赋予了LabVIEW在不同连接方式选择时的极强实用性。LabVIEW具有以下优势：（1）编程实时勘误，即在编程的同时，后台自动编译，同时显示编程错误；（2）编程空间大，利于图形化编程；（3）多线程数据流模型，多处理器工作模式，利用率高；（4）丰富的外设通信驱动方式，使得LabVIEW可以和几乎任何接口进行数据传输。3.5本章小结本章首先介绍了所选解调方案的解调原理，并对系统核心部件做了实验测试。接着从硬件和软件两方面介绍了解调系统的结构及工作方式。硬件方面介绍了硬件编程环境及其多种在线调试测试工具；软件方面介绍了上位机软件编程环境及其特性。19 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现第4章解调系统硬件的设计4.1硬件结构整体设计图4-1基于FFP的解调系统硬件结构功能图基于FFP滤波式解调系统的硬件部分主要包括FPGA、可调谐光纤F-P滤波器驱动模块、A/D数据采集模块和FPGA与上位机的通信模块。本章将对这几个模块的设计与实现进行详细介绍。4.2可调谐FFP驱动电路的设计本系统所使用的F-P滤波器被嵌在压电陶瓷内，所设计的驱动电路即对压电陶瓷进行驱动，压电陶瓷引出正负端口加载驱动电压，通过改变压电陶瓷驱动电压，使得PZT发生相应伸缩形变，F-P腔的腔长随压电陶瓷的伸缩而改变,而腔长的改变导致F-P滤波器透射峰中心波长改变，从而实现对波长的解调功能。如2.2.2小节，所使用的FFP每扫描一个自由光谱区对应于18V左右的电压该变量，故我们设计产生0-18V的锯齿波电压信号来驱动FFP。（a）功能框图（b）引脚图图4-2数模转换器TLV5618特征TLV5618是12bit数模转换器，输出信号为电压类型。其时钟最高频率可达20 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现20MHz，最高更新速率为1.25MHz。TLV5618支持2.7V至5.5V供电。该芯片采用16位编程位，包括12个数据位和4个控制位。其功能框图和外部引脚如图4-2，其中SCLK为时钟输入端口；CS为片选信号端，当其置低时芯片被选中，并激活输入端口；DIN为串行数据输入端口，包含4位控制位和12位数据位；OUTA和OUTB均为模拟电压输出端口；REF为基准电压，VDD为正电源；TLV5618具有两倍增益输出。图4-3TLV5618时序图如图4-3为TLV5618时序图，片选信号置低后，在时钟下降沿时，进行数据的由高至低位移入。片选信号被置高或完成一组数据传输时，寄存器中存储内容根据用户定制，被送至下一目标区域。具体方向由16位数据位中的控制位决定。TLV5618的工作模式、转换速率及掉电功能均可编程控制，其16位编程位入表4-1：表4-1可调谐FFP性能指标D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0R1SPDPWRR0MSB12位数据位LSB其中前4位为编程位，后12位为数据位。编程位包含：1)SPD：速度控制位1：快速模式0：低速模式2)PWR：电源控制位1：掉电模式0：正常工作3)R1与R2决定通道及数据走向。4)上电时，SPD和PWR自动复位为0，即处于低速模式正常工作。表4-2列出R1和R2可能的组合类型：表4-2R1、R2组合类型R1R0描述00将数据写入DACB和缓冲区01将数据写入缓冲区21 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现10将数据写入DACA并将缓冲内容送至DACB11保留其余12位数据位则由寄存内容决定。这里我们使R1为1，R2为0，同时选通两个通道。下面将分模块介绍FPGA控制TLV5618产生锯齿波驱动电压的设计：首先通过计数分频模块产生SClk时钟信号：reg[4:0]cnt_div;regSClk;always@(posedgeClk)beginif(cnt_div<5’d15)SClk<=1’b0;elseSClk<=1’b1;cnt_div<=cnt_div+1’b1;end首先定义5bit寄存器类型分频计数参量cnt_div，并使其自加，在0-31间自加1循环。并根据cnt_div值的判断对系统时钟进行32分频，得到TLV5618的驱动时钟信号。reg[4:0]cnt_group;//产生预分组信号regDA_En;always@(posedgeSClk)beginif(cnt_group<5’d18)DA_En<=1’b0;elseDA_En<=1’b1;cnt_group<=cnt_group+1’b1;end上段代码功能为在SClk激励下产生一组信号18位的选通空间，并由下一个always块中的case语句对16位数据信号赋值。`defineR11'b1`defineSPD1'b0`definePWR1'b0`defineR01'b0alwaysbegin22 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现PR_Data[3]<=`R1;PR_Data[2]<=`SPD;PR_Data[1]<=`PWR;PR_Data[0]<=`R0;endalways@(posedgeClk1)if(!Rst_n)beginCnt2<=5'd0;CS_n<=1'b1;endelsebeginif(DA_En==0)beginif(Cnt2<=5'd16)beginCS_n<=1'b0;case(Cnt2)5'd0:beginDA_DATA<=PR_Data[3];Cnt2<=5'd1;end5'd1:beginDA_DATA<=PR_Data[2];Cnt2<=5'd2;end5'd2:beginDA_DATA<=PR_Data[1];Cnt2<=5'd3;end5'd3:beginDA_DATA<=PR_Data[0];Cnt2<=5'd4;end5'd4:beginDA_DATA<=DA_Data[11];Cnt2<=5'd5;end5'd5:beginDA_DATA<=DA_Data[10];Cnt2<=5'd6;end5'd6:beginDA_DATA<=DA_Data[9];Cnt2<=5'd7;end5'd7:beginDA_DATA<=DA_Data[8];Cnt2<=5'd8;end5'd8:beginDA_DATA<=DA_Data[7];Cnt2<=5'd9;end5'd9:beginDA_DATA<=DA_Data[6];Cnt2<=5'd10;end5'd10:beginDA_DATA<=DA_Data[5];Cnt2<=5'd11;end5'd11:beginDA_DATA<=DA_Data[4];Cnt2<=5'd12;end5'd12:beginDA_DATA<=DA_Data[3];Cnt2<=5'd13;end5'd13:beginDA_DATA<=DA_Data[2];Cnt2<=5'd14;end5'd14:beginDA_DATA<=DA_Data[1];Cnt2<=5'd15;end5'd15:beginDA_DATA<=DA_Data[0];Cnt2<=5'd16;end5'd16:beginCS_n<=1'b1;Cnt2<=5'd17;enddefault:beginCS_n<=1'b1;endendcaseendendend23 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现上段代码根据TLV5618的datasheet中的时序要求，在DA_En预选通信号中，首先将选通信号CS_n置低，选通芯片进行工作，然后进入case语句，对16位的数据位进行赋值，赋值结束后拉高选通信号CS_n，结束本次全数据的赋值过程，完成一次转换。TLV5618为12bit，故在产生锯齿波信号时，12位数据位由0递增至4095。由此在32分频基础上所输出的锯齿波电压信号的频率为：Clk/32/32/4096=50000000/4194304=11.92Hz。使用QuartusII综合后生成TLV5618控制模块符号为：图4-4TLV5618控制模块将程序下载配置后，使用示波器测得TLV5618输出电压波形为：图4-5数模转换器输出电压电示波器输出图4-5，所输出的锯齿波电压信号Vp-p的接近电源VDD(5V),且在此次相位累加设定中，该锯齿波上升沿为0-5V递增，频率为11.92Hz，与预期完全一致。由于本实验所使用的FFP扫描每个自由光谱区需要约18V的电压变化范围，故需要将此信号进行放大处理。本实验使用LM358做一次正向线性放大后使用三24 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现极管做电压跟随器后输出：图4-6TLV5618输出锯齿波放大前后图由图4-6可知，所测得的TLV5618放大前后锯齿波电压信号信息。放大后电压信号线性度好，且电压值接近所预设的18V，可以用于驱动FFP。4.3非线性补偿功能驱动电路的设计PZT本身具有的迟滞、蠕变等非线性效应以及环境的影响等，会影响PZT形变的线性度，这使得F-P腔的腔长变化为非线性，从而使光纤F-P滤波器的扫描为非线性扫描，这影响了波长测量的线性度及精度。为了补偿PZT的非线性效应，大部分的文献中都加入了额外的硬件补偿电路，这样既造成了成本的上升，又局限了该驱动装置的适用能力。基于此，本文提出一种基于FPGA的DDS技术的PZT驱动非线性补偿方案，通过对DDS波形查找表ROM中的波形存储值进行校正，从而根据FFP的非线性特性定制ROM表存储值，从来改变锯齿波上升沿电压的增长特性，使其线性扫描，这样使得PZT的非线性效应得到有效补偿。该补偿方法，不需要任何其他额外的硬件设备，具有成本低、精度高、适用性强等特点。4.3.1DDS技术介绍数字合成器DDS（DirectDigitalSynthesizer），是一种新型的频率合成技术，是从相位概念直接合成所需波形的一种合成技术，可根据用户需要定制波形，其具有带宽宽、分辨率高、相位连续性好、转换速率快，容易实现对相位幅度和频25 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现率等量的数控调制等优点，故在通信等领域被广泛应用。DDS的基本结构图如图4-7所示：图4-7DDS组成机构图PhaseROMD/ALPFAccumulator图4-8DDS信号流程图如图4-7、4-8，DDS主要由相位调制器，相位累加器，波形查找表，和数模转换器构成。相位累加器由N位寄存器和M位累加器构成。DDS工作过程如下：FPGA每检测到时钟上升沿，系统将相位寄存器的当前值与频率控制字相加，通过这样的逐次相加使得相位寄存器的输出线性增长。而相位寄存器的输出作为波形查找表ROM中的相位采样地址的输入，通过相位寄存器的输出查找出该地址上波形对应的幅值，并将该幅值输出给D/A转换器，由D/A转换器完成数字值到电压的对应转换输出。由于相位累加器为N位，相当于把所要输出波形在相位上的精度定义为N位，其分辨率为1/2N，系统时钟频率Fclk，频率控制字fword为N，则输出频率为Fout=Fclk/2N，这个频率相当于“基频”，当fword为B时，则输出频率为：FclkFoutB(4-1)N2当系统时钟频率不变时，频率控制字M决定输出信号的频率，由上式可得：NFoutB2(4-2)Fclk其中B为频率控制字，注意B要取整，有时会有误差，在本设计中，N取32位。在本设计中使用DDS数模转换芯片为12bit，故取12位的ROM表。26 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现4.3.2基于DDS技术的F-P驱动电源设计图4-9驱动电路FPGA编程环境下RTL原理总框图图4-10DDS详细模块RTL视图图4-9为在FPGA的编程软件QuartusII环境下基于Verilog语言编程后所生成的RTL总框图。由图中，我们看到整个FFP驱动电路各模块及模块间的数据流向信息。工作原理如下：系统时钟clk分两个流向，一路进入u4单元，即DDS模块；另一路进入u5单元，即数模转换芯片TLV5618模块使能TLV5618工作。图4-10则是图4-8中DDS模块的具体功能模块，包括上一小节图4-6中所提到构成DDS结构的几个重要组成模块：相位调制器，相位累加器，波形查找表ROM及数据流向等信息。用户将锯齿波的数字信息录入saw_rom中存储，adder_32及reg32模块协同完成相位的累加和输出电压信号的频率控制，最终输出12位的address，用于查找saw_rom表中存储的锯齿波波形信息。然后输出给DDS芯片TLV5618功能模块，完成锯齿波驱动电压信号的输出。4.3.3补偿前F-P滤波器扫描特性装置连接方案如图4-11，图4-11波长检测装置FFP加载驱动电源后，对波长进行扫描，得到驱动电压值与FFP透过峰的中27 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现心波长与对应驱动电压值的关系如表4-3：表4-3PZT加载电压与FFP对应的透过光波中心波长voltage(V)CentralWavelength(nm)voltage(V)Centralwavelength(nm)21567.88151555.8682.11567.6635.51553.6562.21567.34661551.3642.31567.0226.51549.1092.41566.62771546.8492.51566.2487.51544.4332.61565.91481542.0992.71565.5438.51539.6982.81565.11491537.1472.91564.7339.51534.73931564.389101532.2333.21563.56610.21531.2123.41562.66310.41530.2453.61561.81110.61529.1613.81561.01710.81528.21741560.303111527.1224.21559.38311.11526.5664.41558.47411.21526.0864.61557.61811.31525.5044.81556.674由表4-2数据，线性拟合后，得到以下表图信息：图4-12PZT驱动电压与对应中心波长线性拟合图由图4-12，由于FFP的自由光谱区大于ASE光源从1525nm-1568nm共43nm的光谱宽度。由实验得，当加载在PZT上电压在2v-11.3V时，F-P滤波器对应扫描了ASE宽带光源的1567.8nm-1525.5nm范围。采用线性拟合后，得中心波长与28 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现PZT加载电压U的关系式为：λ-4.59003U1578.17788(4-3)线性拟合后，截距标准差为0.18403nm，最大离散值为1.117nm。说明，本套装置已成功驱动FFP完成波长扫描功能，但要使其线性扫描还需要做补偿工作。首先，将实际波长数据与线性拟合直线波长相减的离散差值提取，如图4-13：图4-13离散分布情况由图4-13易知，非线性效应导致的离散分布具有明显特征，对其做二次方拟合得到关系式：2-0.07532U0.99859U2.47736(4-4)式4-4的拟合度为0.97059。可知，每一个不同电压值处对应的实际中心波长与线性拟合后波长的差值对波形查找表ROM中的值进行修正从而达到线性补偿效果。4.3.4补偿后F-P滤波器扫描特性ROM中波形数据补偿方法如下：首先，根据12位数模转换器的转换原理，ROM中的值对应于放大后电压的0V，同样的满幅值212（4096）对应于峰值电压18V。又当加载在PZT上电压在2v-11.3V时，F-P滤波器对应扫描范围为1567.8nm-1525.5nm，即ASE光源的输出光谱波长范围，得到下式：4096UN=018324096U-0.07532U0.99859U2.47736UΔN=Δλ(4-5)1818N=NΔN0+29 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现如式4-5，其中N0为ROM中原始对应锯齿波上升沿的线性增长的数值；U为用户确定常变量，用于查找ROM中的值N0；N为所需校正值的大小；是电压为U时对应的波长离散值，由式4-2可求；N为对应与U处校正后的值，即最终需要在ROM中输入的值。如U取2V时，由式4-2和4-3求得对应原始ROM中的值N0=455，=-0.78148，N=-356，N=99故求得对应于2V时波形查找表ROM内的值更新为99，即可完成补偿。将式4-5中上面两项N0及N带入第三项公式，得：32N-17.139484U227.234702U563.73703U(4-6)可直接利用式4-6生成波形查找表ROM中的值后，实验测得PZT对应修改前电压值所在位置与对应的透过光波中心波长：表4-4PZT加载电压与对应的透过光波中心波长voltage(V)CentralWavelength(nm)voltage(V)Centralwavelength(nm)21568.87771546.3122.51566.6207.51543.99431564.35581541.6963.51562.1388.51539.32941559.93091536.9724.51557.6609.51534.63051555.378101532.3055.51553.13110.51529.96861550.853111527.6686.51548.599线性拟合得：15801575Thedataaftercompensating1570Thefittingdata156515601555155015451540Centralwavelength(nm)1535153023456789101112Voltage(V)图4-14线性补偿后PZT驱动电压与对应中心波长线性拟合图30 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现图4-15线性补偿后离散分布情况图4-14，图4-15是通过对波形查找表ROM中的值按本文方法进行线性补偿后，实验测得数据，由Origin软件拟合后得到结果。补偿后线性度达到0.997，离散差值对应于扫描波长漂移，该值从补偿前的1.117nm被有效地控制在小于0.2nm范围内，漂移量降低至原来的17%。这说明通过使用DDS技术对FFP非线性补偿目标已完成。在补偿后的驱动电源驱动时，FFP对波长成线性扫描。但在FFP工作时，仍受到外界温度和PZT微小蠕变等因素的影响，依然存在较小的非线性度，所以仍然存在小于0.2nm范围的漂移。4.4数据采集模块的设计4.4.1A/D驱动控制模块将可调谐F-P驱动电源加载到PZT两极，按本文所设计的如3-1系统结构图连接装置，将光电探测器输出的电信号通过高频探测线直接接入示波器得到：31 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现图4-16示波器接收光电探测器信号本套系统共连接了三根光栅，图4-16中在驱动电压上升沿阶段，扫描并解析出三个光纤布拉格光栅的返回光波。当连接两根光栅时示波器对应显示两个光谱。可初步认为解调系统前端FFP的驱动部分已完成。接着则需要由FPGA控制模数转换（A/D）芯片进行数据采集，本系统使用TLC549芯片对光电探测器输出信号进行数据采集：图4-17TLC549电路模块32 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现图4-18TLC549时序图如图4-17和图4-18示，TLC549为8位串行模数转换器芯片，具有三条通用串行接口，分别为时钟CLK，片选信号/CS和数据输出端口DATAOUT。其具有4MHz片内时钟，转换时间最长17us，总失调误差最大为±5LSB，功耗为6mW。通常采集一组的控制时序为：当/CS信号由高电平变为低电平时，TLC549芯片被选通，同时上一次的转换结果最高位A7从DATAOUT端输出，接着时钟端出入8个外部的时钟信号，前次剩余7个低位的数据分配7个外部时钟信号，最后剩余一个时钟信号的下降沿被检测，使片内采样/保持电路进入保持模式，模数转换开始。在第4个时钟信号的下降沿，芯片对所输入的模拟量开始进行采样，到第8个时钟信号的下降沿芯片再次进入保持模式，并开始模数转换。always@(posedgeClkornegedgeRst_n)if(!Rst_n)Cnt1<=11'd0;elseif(!En)Cnt1<=11'd0;elseif(Cnt1==11'd1310)Cnt1<=11'd0;elseCnt1<=Cnt1+1'b1;//依据外部转换使能信号控制内部转换进程always@(posedgeClkornegedgeRst_n)if(!Rst_n)En<=1'b0;elseif(En)En<=1'b1;elseif(Cnt1==11'd1310)En<=1'b0;//8位数据接收进程always@(posedgeClkornegedgeRst_n)if(!Rst_n)33 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现beginADC_Clk<=1'b0;ADC_Cs_n<=1'b1;ADC_Busy<=1'b0;data_tmp<=8'd0;Done_Flag<=1'b0;Data<=8'd0;endelseif(En)begincase(Cnt1)1:beginADC_Cs_n<=1'b0;ADC_Busy<=1;end71:beginADC_Clk<=1;data_tmp[7]<=ADC_Din;end96:ADC_Clk<=0;121:beginADC_Clk<=1;data_tmp[6]<=ADC_Din;end146:ADC_Clk<=0;171:beginADC_Clk<=1;data_tmp[5]<=ADC_Din;end196:ADC_Clk<=0;221:beginADC_Clk<=1;data_tmp[4]<=ADC_Din;end246:ADC_Clk<=0;271:beginADC_Clk<=1;data_tmp[3]<=ADC_Din;end296:ADC_Clk<=0;321:beginADC_Clk<=1;data_tmp[2]<=ADC_Din;end346:ADC_Clk<=0;371:beginADC_Clk<=1;data_tmp[1]<=ADC_Din;end396:ADC_Clk<=0;421:beginADC_Clk<=1;data_tmp[0]<=ADC_Din;end446:beginADC_Clk<=0;ADC_Cs_n<=1'b1;end447:beginData<=data_tmp;Done_Flag<=1'b1;end448:Done_Flag<=1'b0;1310:ADC_Busy<=0;default:;endcaseendelsebeginADC_Cs_n<=1'b1;ADC_Clk<=1'b0;ADC_Busy<=0;endEn信号对TLC549进行使能，En在一个时钟周期的高脉冲使能AD进行一次34 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现转换。每50个系统时钟周期使能ADC_Clk取高电平进行一次采样，完整采样后，将TLC549成功转换标志Done_Flag置高，用于和其他模块进行功能对接。图4-19AD数据采集检测按图4-19连接仪器，并加载两根光纤布拉格温度传感光栅，光电探测器输出电信号，分为两路，一路直接进入示波器；另一路则被FPGA控制的TLC549模数转换芯片采集，并在FPGA内部使用在线逻辑分析仪对信号进行捕捉。将输出的数据使用Origin软件进行描点连线得到：图4-20示波器图图4-21AD采集数据模拟图35 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现对比图4-20，4-21两张图，图4-21为示波器所显示的图，其中，蓝色的电压信号为可调谐光纤F-P滤波器的驱动电压信号，在锯齿波驱动电压信号的上升沿扫描到两根传感光栅的返回光波，形成两个峰。而由于存在一定的磁滞效应锯齿波下降沿受到非线性的影响，形成一个快速下降的下降沿，故也会存在时间差很小的峰被示波器采集到。4-22图则为AD采集到的数据，在Origin软件下连线而成，这样可以直观的看到，对应于锯齿波驱动电压上升沿所扫描出的两个峰。AD采集的有效数据如表4-7，对应于b图的实验：表4-5AD采集对应有效数据由表4-5知，包括下降沿无效的两组波长和8组有效的布拉格光纤光栅返回光波的波长有效值。每个有效的反射光波具有6至7个有效值，横坐标相对的扫描时间对应于图4-20中的峰值位置。结合图4-20及表4-7对应实验数据，做如下几组对比：1.每个上升沿对应的两个不同光栅之间返回光波的相对时间差。第一个锯齿波驱动电源的上升沿对应强度最大值的相对时间分别为52和79，差值为27；类似的，下一个上升沿对应相对时间值分别为518和545，差值为27；第三组为984和1012，差值为27；2.对于处在下降沿的两组光波，其中心波长分别为：320和324；786和790。差值均为4；3.对于同一根光栅在驱动电压的不同上升沿扫描时，第一根光栅的强度最大值所对应的相对时间分别为：52、518、984，相邻差值为466；第二根光栅分别为：79、545、1011，相邻差值为466；36 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现对于处在下降沿的两组随不具有有效的解调功能，但同样具有一定的周期参考性，相位时间位置320和786，差值466；324和790，差值为466。以上数据均为实验测得的实际数据，未经任何算法拟合。在如此情况下，通过上述三方面的对比分析，各组数据点之间的间距完全匹配，故本套解调方案的精度具有非常高的可靠性。4.4.2串口发送模块串口，即串行接口，是一种采用串行通信方式的接口作为扩展。串口发送协议如下：图4-22串口发送协议串口发送数据位格式如图4-22，在用户定制的固定波特率时钟激励下，在发送线上一个字节数据包含10位信息。在无数据传输状态时，传输线上始终为高电平，当发送数据时，首先发送低电平的起始位，接下来按由低位至高位发送8位有效数据位，然后发送高电平的停止位。always@(posedgeClkornegedgeRst_n)if(!Rst_n)Rs232_Tx<=1'b1;elsebegincase(bps_cnt)0:Rs232_Tx<=1'b1;1:Rs232_Tx<=START_BIT;2:Rs232_Tx<=r_data_byte[0];3:Rs232_Tx<=r_data_byte[1];4:Rs232_Tx<=r_data_byte[2];5:Rs232_Tx<=r_data_byte[3];6:Rs232_Tx<=r_data_byte[4];7:Rs232_Tx<=r_data_byte[5];8:Rs232_Tx<=r_data_byte[6];9:Rs232_Tx<=r_data_byte[7];10:Rs232_Tx<=STOP_BIT;default:Rs232_Tx<=1'b1;37 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现endcaseend以上为该发送协议FPGA中Verilog代码的实现，在该always块中，若系统未复位，则置高数据总线，复位完成后，进入case语句，按照用户定制的位计数器bps_cnt作用下进入不同分支，其中为位计数，由0自加1，当其计数至11时，归零并重复自加过程。case分支对应于数据线由高电平，到起始位，再发送对应数据位后发送停止位。需要强调的是，串口通信中对于波特率的设定。在串行接口通信中波特率支持从9600bps至921600bps。如用户需要常用的9600Hz的波特率时钟信号，由于所使用的FPGA卡板的系统晶振时钟为50MHz，每个时钟周期为20ns，通过计数完成该波特率时钟信号。频率为9600Hz，对应周期为1000000/9600=104.17us，只需要对系统时钟每进行104170/20=5028次计数后产生一个时钟周期的高电平即可。通过建立testbench测试平台来验证串口发送模块功能。在测试平台中对时钟信号，复位信号，串口总线数据和波特率等输入信号进行激励设定，来检测输出信号是否正确。设定后得到图4-22：图4-23串口发送仿真结果由图4-23得，该串口发送模块功能成功实现。首先完成系统复位，复位后将发送使能信号send_en置高并设定所需要传输的数据data_byte为8位数据11001101（此为二进制形式表示），可以清晰的观察到，串口发送模块的输出信号Rs232_Tx的输出情况。在系统复位未完成或发送未使能时，输出信号线保持高电平，当复位完成后，当使能发送置高时，串口状态信号uart_state置高，并开启发送过程：在波特率时钟bps_clk上升沿时，发送数据线Rs232_Tx上的数据，在波特率计数器bps_cnt自加计数，起始位数据0对应于bps_cnt=1时，接着按照串口发送协议由低位至高位发送10110011，然后停止位数据1对应于bps_cnt=10的位置。即完成一次字节发送，完成后将发送完成信号Tx_Done置高一个时钟周期，用来和串口接收或其他模块进行同步协作。接着，当再次接收到串口发送使能信号时，开启新的按字节将数据发送过程。38 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现串口发送模块在本解调系统中将模数转换器TLC549的采集信息发送至上位机。其上传设计如下：在本套解调系统中，解调过程是连续的，即可调谐光纤F-P滤波器持续不断的在扫描，模数转换芯片也在不间断的对数据进行采集，所采集到的数据则是对应于各个驱动电压上升沿的可调谐滤波器的周期性扫描过程。故需要精确定位单个上升沿单个周期内的单次扫描数据进行摘取，即对每一周期的有效数据前加标志位信息，并通过串口发送，然后由上位机识别标志位，并通过图表波形形式对波长信息进行还原。有效数据标志位的设定，既然是标志位，则应该与有效数据有所区别，本课题设定标志位设定为三位数据，第一位为半高宽127，第二位为0，第三位为满值255，这样的极端变化情况正常的有效数据几乎不可能产生。当每一次驱动电压预设值归零后，使能串口先发送这三位标志位后，接着发送采集到的有效数据。下图为使用QuartusII中的嵌入式逻辑分析仪对标志信号进行抓取：图4-24数据顶端标志位数据的抓取由图4-24可知，在0时刻触发条件满足，取得数据线的前三位数据分别为16进制数7F、00、FF，即我们所设定的十进制数127、0、255。表明有效数据的分组标志位被成功设定。设定完成后，连接设备，使用串口调试软件对数据进行接收，得：图4-25串口调试读取数据39 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现首先配置串口的基本测试参数，根据所设定的波特率及发送方式，选择波特率115200bps，无校验位，一位停止位。得到如图4-25，三字节标志位7F、00、FF周期出现，一组数据在标志位之间，达到预期。即硬件部分的从采集到发送功能已实现，上位机编程后可直接使用该发送数据，并根据该数据绘制还原传感光栅组的反射光谱。4.4.3串口接收模块在上一小节中串口发送模块的功能是将模数转换器采集到的数据信息上传给上位机。而在实际工程应用中，还需要通过上位机对采集模块进行控制，如本模块中对模数转换器的采集速率串口发送的速率等进行设定或改变。故需要完成对串口接收模块的功能设计。本课题将4.4.2小节中串口发送模块发送的数据作为要接收的信号激励，形成如图4-26测试平台：图4-26串口接口测试平台框架得仿真结果为：图4-27串口接收仿真结果由图4-27清晰知道，如4.3节串口发送设定发送数据位8位11001101（此为二进制数表示形式），在最初串口接收线上数据没有数据，当发送线上取得有效数据后，考虑到实际工程中所存在的亚稳态等影响，我们使得串口发送的波特率时钟在每一数据位的中间置高，这样可以避免在数据建立时间不稳定的毛刺或者受下一位数据的影响。在采集完一个字节数据后将接收完成信号Rx_Done置高一个时钟周期，并对8位二进制数据成功接收。40 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现图4-28串口接收板级测试如图4-28，使用In-SystemSourcesandProbesEditor进行板级测试，同样的发送和接收都选用115200bps波特率，实时接收到数据7F。4.5硬件部分RTL整体设计图4-29硬件部分整体功能RTL视图图4-29是基于Verilog语言的解调系统硬件整体RTL框图。完成以上各功能模块后，建立工程顶层文件，并例化各部分功能模块，从硬件系统整体角度出发，设置整体系统的输入输出端口,定义wire（线型）连接各功能模块端口或同步信号。这里，主要通过D/A与A/D间同步信号DA_EN_AD完成FFP的压电陶瓷所加载锯齿波驱动电压与数据采集模块的同步，通过该同步信号来确定A/D采集的信号点与FFP驱动电压值的对应关系；ADC_Busy和ADC_Flag信号来表示A/D的工作状态，当A/D被使能后，按照图4-18工作时序进行采样和量化，ADC_Flag标志量化结束，ADC_Busy则表征一个采样点的整个采集过程完成，这样确保A/D41 南昌航空大学硕士学位论文第4章解调系统硬件的实现自身的稳定工作并方便与其他功能模块完美配合。根据ADC_Flag和ADC_Busy，选定A/D空闲阶段将采样数据发送至串口发送模块，确保了串口发送模块数据的正确性与连续性。4.6本章小结本章主要介绍了解调系统硬件部分的设计与开发，先从系统整体需求出发分析细分功能模块，依次阐述如下内容：1.使用FPGA编程控制TLV5618输出锯齿波电压，根据F-P滤波器PZT驱动特性，使用运算放大器将该锯齿波信号幅值放大至18V。2.基于DDS技术对F-P滤波器压电陶瓷的非线性效应进行补偿；通过补偿，FFP扫描线性度为0.997，波长漂移从补偿前的1.117nm被有效的控制在小于0.2nm范围内，漂移量降低至原来的17%。3.介绍了数据采集系统，并将所采集到的数据进行调制加载数据标志等，上传至上位机。同时，针对重要部分的时序等代码进行了详细的描述。该过程每一步的功能实现都经过从设计到仿真验证到板级验证，从而确保了正确性。42 南昌航空大学硕士学位论文第5章解调系统软件的实现第5章解调系统软件的实现5.1上位机软件整体设计流程图5-1上位机实现流程图5-1为解调系统的上位机实现流程，其功能为读取数据分组标志位和有效数据，并重建传感光栅组反射光谱，且可以在线查询各光栅的中心波长或该传感光栅所处环境的传感变量及其变化等信息。5.2上位机设计流程5.2.1数据读取首先是对一组有效数据前的标志位进行读取，并判断是否通过验证，若通过验证则将一组数据进行缓存，然后一次性将一组数据读取，经过数值字符串间类型转换，将一组数据在二维图表中进行波形显示，如图5-2所示：43 南昌航空大学硕士学位论文第5章解调系统软件的实现图5-2上位机实现流程通过调用VISA驱动对下位机FPGA通过串口发送的数据进行读取，读取后进行标志位的循环判断，只有当连续三个字节数据依次为7F、00、FF（此为16进制表示形式）时，才会对标志位正确识别并进入数据缓存模块，其他任何数据将无法通过该循环，从而达到检测一组数据标志位的功能。数据标志位成功读取后，将采集的有效数据按组读出，并以字符串格式缓存，接着将字符串格式转换为数值格式，并将数据有效传输给X-YGraph组建进行传感光栅反射光谱的波形重建。图5-3标志位接收图图5-3为上位机对串口数据进行连续采集时所检测的标志位数据，此时未加载其他信号。数据线上成功接收7F、00、FF数据。表明数据标志位成功接收。44 南昌航空大学硕士学位论文第5章解调系统软件的实现图5-4反射光谱采样图当连接两根温度传感光栅和一根应力传感光栅时时，得到如图5-4周期显示的有效采样数据描点图，此时，FFP扫描频率为23.8Hz，TLC549采样频率为200KHz，每一组有466个数据点。将两根温度传感光栅的反射光波区域放大得：图5-5光谱区放大图可以清晰看到两根温度传感光栅反射谱，两个峰的最大值分别出现在横坐标为234和258，相差24。而测量左侧峰对应传感光栅中心波长约在1548.716nm附近（光栅反射光谱本身有微小漂移）；右侧峰对应传感光栅中心波长在1544.817nm。两根光栅中心波长差约为4nm。两根温度光栅3dB带宽分别为0.3nm、0.2nm，分别采到6个和4个有效值。由上述数据可得到，在FFP驱动电源扫描频率为23.8Hz，AD芯片采样时钟速率为200KHz时，由二分法得该解调系统的绝对精确度为波长差4nm与最大值对应数据点距离24的比值的一半，即：4nm/24/2=0.08nm，即80pm。该方案暂定为方案一。在实际应用中，对温度变化的灵敏度远不需要每秒监测近24次之多，故我们将里我们将系统扫描频率减半至11.9Hz，采样时钟速率不变，进行方案二。这样通过降低不必要的解调速率来获得更高的系统分辨率。45 南昌航空大学硕士学位论文第5章解调系统软件的实现图5-6反射光谱采样图图5-7光谱区放大图由图5-6、图5-7可知，在FFP扫描频率减半，AD采样频率不变的情况下，一组信号的数据点数由466增至原来的两倍932个，满足采样定律。两个峰的最大值分别出现在横坐标为467和516，相差59。对应原来峰值位置234和258，分析可得在所采信号频率减半，采样时钟速率不变的情况下，方案二中516的位置对应于方案一中516/2采样位置，在方案一的258位置取得最大值。而方案2中峰值出现在467采样位置，方案一中对应峰值在234（对应于方案二中234*2=468采样位置），而方案二中467采样位置对应于方案一中234与233中间未采样位置，这样采样点翻倍，系统获得精确度提高。两根温度光栅分别对应11个和8个有效采样数据。此时，根据采样点分布，本解调系统的绝对精确度为4nm/50/2=0.04nm，及40pm。由此达成通过降低解调速率来获得更高系统精度的目的完成。5.2.2基于L-M算法的光谱曲线拟合这里我们基于NI公司的提供的范例，基于本实验性质进行二次开发，并成功拟合光栅组反射光谱中心值。46 南昌航空大学硕士学位论文第5章解调系统软件的实现图5-8基于LM算法的高斯拟合程序图首先将一组的数据接入，根据采样点数设置一组初始数据转换为一维数组并索引，然后进入波分检测模块，由于本系统光电探测等噪声的影响，实测基底噪声值不超过7，故设定寻峰阈为8来将白噪声滤除，以满足拟合所需收敛等条件。接着进行自动寻峰，并将自动寻峰控件寻找到的峰值个数输出端口接入所要拟合的峰的个数输入端，这样可自动检测并设置所要拟合峰的数量。通过检测光谱的幅度得到峰值所处中心位置，并在X轴中心位置附近对采样值进行插值处理，接着将待拟合数据打包并输入Lev-Mar子VI进行拟合，拟合后变化为字符串格式输入给XYGraph3进行波形显示，另一方面对所拟合三个输出结果的信息进行显示。图5-9基于LM算法高斯拟合波形图由图5-9可知，拟合寻峰准确找到了三个光谱，并经由Lev-Mar子VI拟合后输出三个拟合后谱线拟合中心值。5.2.3光栅反射光谱重建波形信息的反演工作，即在得到反射光谱后，将该拟合峰的采样位置中心值转换为波长信息，进一步的根据波长信息推导出传感光栅对应敏感环境变量的变47 南昌航空大学硕士学位论文第5章解调系统软件的实现化情况。在对温度传感光栅的解调中，对传感光栅反射光谱的中心波长标定工作一直是一个难点。本系统在解调方案最初设计阶段就将一根应力光栅与两根温度传感光栅组串联构成光栅组。通过对该应力光栅反射光谱中心波长的测定，可以对整个解调系统的波长反演进行有效标定。横坐标相对采样位置的值与锯齿波驱动电源的电压值具有线性关系，而驱动电源的电压值与FFP透过峰的中心波长值具有线性关系，故相对采样位置的值与波长值成线性关系。即：=X+b（5-1）式5-1，为中心波长值，X为采样点的数值，为二者转换比例系数，b为转换常数。故要找到波长值与采样点值之间的关系，只需确定转换比例系数a和转换差值b。同样的，在LabVIEW编程环境下，要将横坐标从相对采样点转换为波长信息，需要通过偏移量和缩放比例来完成。在反演过程中，首先得到对应两根温度传感光栅光谱位置中心值的差值，记做X，并由光谱仪测得两根温度光栅中心波长差值。又FFP的工作特性为在驱动电压上升沿上FFP对波长由大到小扫描，故缩放比例为：=(5-2)X由上式得到缩放比例系数，在根据其中一根温度光栅实测中心波长0，对应采样位置X0，得到横坐标波长值与采样位置值X的关系为：0(XX)0(5-3)带入比例系数得：0(XX)00(XX)0(5-4)X根据式5-3，即可完成横坐标由采样位置点到波长值分布的转换。得到的转换结果入如下图：图5-10波长信息反演结果48 南昌航空大学硕士学位论文第5章解调系统软件的实现从图5-10，本解调系统经拟合后中心波长精度可达0.1pm。由前面章节可知本系统使用的光源波长范围约分布在1525nm至1570nm范围内，故在LabVIEW上位机最终反演图中，我们将横坐标的波长范围调节与光源范围相同。波长解调图5-10中最左侧为应力传感光栅，中心波长为1550.7156nm；其余两根为温度传感光栅，中心波长分别为1548.9425nm、1545.0089nm。5.3系统性能及分析使用上位机对应力传感光栅（FBG1，用来标定波长）和一根温度传感光栅（FBG2）的中心波长进行监测。以中心波长在1550.7156nm的应力传感光栅和1548.9425nm温度传感光栅为例，每隔1s读取一次共10组数据：表5-1系统稳定性测试数据组别FBG1中心波长1/nmFBG2中心波长2/nm11550.71561548.942521550.72081548.946831550.71091548.942241550.71331548.947851550.71821548.94461550.71631548.942471550.71821548.952581550.71301548.937591550.71091548.9388101550.71531548.9420各组波长变化情况趋势如图5-11：图5-11波长分布趋势如图5-11所示，两根光栅中心波长分布较平稳。在LabVIEW前面板波形图属性中添加两个标尺，使标两个尺的值分别为表5-1中10组中心波长的平均值，得到：49 南昌航空大学硕士学位论文第5章解调系统软件的实现图5-12应力传感光栅波长趋势对温度传感光栅解调系统中加入一根应力传感光栅用来对波长进行标定，即在温度解调时，认为该应力传感光栅对温度变化不敏感，其反射光谱中心波长保持不变。但如图5-12，应力光栅存在接近10pm范围漂移现象，该漂移即为系统的漂移量。引起解调系统波长漂移的原因是多方面的，如：1.传感光栅自身的波长漂移；2.F-P滤波器压电陶瓷的温度漂移；3.驱动电源本身由D/A芯片精度影响，存在一定量的微小误差；4.光电探测器的响应频率所引起的系统稳定性的下降。基于解调系统存在一定漂移，在对温度传感光栅的波长解调时，为了消除系统漂移问题，实时测得的温度传感光栅与波长标定光栅返回光波的中心波长差可以更好的反应出温度传感光栅所处环境温度的变化。根据表5-1得到温度传感光栅与波长标定光栅中心波长差值及其离散情况如下表：表5-2温度传感光栅与定标光栅中心波长差及离散情况组别12i平均11.77310.001521.77400.002431.7687-0.002941.7655-0.006151.77420.002661.77390.002371.7657-0.005981.77550.003991.77210.0005101.77330.0017平均1.771650 南昌航空大学硕士学位论文第5章解调系统软件的实现图5-13温度传感光栅与定标光栅中心波长差如图5-13并结合表5-2，对于温度传感光栅中心波长最大离散范围为0.0039nm+0.0061nm=0.01nm，即10pm。经多组实验测量对比，该离散范围不超过15pm。结合本系统所使用的温度传感光栅手册可知其波长与温度关系为：T+0(5-5)其中，光栅温度敏感系数=27.3pm/℃，温度为零时光栅中心波长为0。结合本系统温度传感光栅反射光谱的中心波长解调偏移范围小于15pm，对应系统对温度的解调精度小于0.55℃。5.4本章小结本章首先从整体角度介绍了上位机程序的整体设计流程，接着按组准确识别下位机FPGA上传的数据（包括标志位数据和有效采样数据），然后按组波形显示。调用基于L-M算法曲线拟合子VI进行曲线拟合，确定峰值中心位置并转换为波长信息。分析系统并根据实验测定解调特性，中心波长解调离散范围小于15pm，温度解调精度小于0.55oC。51 南昌航空大学硕士学位论文第6章总结和展望第6章总结和展望6.1总结本文基于光纤光栅传感机理，搭建了一套以FFP滤波器为解调工具，以FPGA为控制及通信总控制台的光纤光栅温度解调系统。本文主要对基于FFP解调的光纤光栅传感系统的软硬件开发技术进行了研究。在硬件开发全部流程中，使用第三方EDA工具对控制程序进行仿真、使用QuartusII中在线调试工具进行实时板级调试工作，确保了整个系统的功能和稳定性。1.测试了核心器件的性能，并根据所使用的FFP特性定制锯齿波驱动电源。在驱动FFP工作工程中，发现FFP所具有的非线性效应，并通过FPGA内建DDS模块对FFP扫描时的非线性效应进行有效的补偿。补偿后FFP波长扫描线性度达到0.997，离散差值从补偿前的1.117nm被有效的控制在小于0.2nm范围内，漂移量降低至原来的17%。2.编程开发数据采集模块。由FPGA控制TLC549对光电探测器探测传感光栅返回光谱所输出的电信号进行采集，并与示波器采集结果进行对比，证明该采集模块切实可行。3.设计开发适用于本解调系统的串口收发模块。将采集模块的采集数据按字节发送至上位机，并开发FPGA通过串口通信接收上位机控制信号，为上位机对FPGA控制的TLC549采样速率、串口收发模块波特率等信号的控制奠定基础。4.对于上位机软件方面，首先介绍了上位机软件的整体结构；其次详细说明了上位机对数据标志位和有效采样数据的接收原理；5.基于L-M拟合函数子VI对传感光栅反射光谱进行了拟合，将波长测量精度提高至0.1pm。6.针对FFP的漂移问题，采用应力光栅进行定标，通过测量实测光栅与应力光栅的差值，实现了对FFP漂移问题的补偿。经测试，本系统在采用波长拟合及定标光栅后，系统解调中心波长漂移小于15pm，结合所使用的传感光栅温度波长敏感系数27.3pm/℃,系统温度解调精度小于0.55℃。52 南昌航空大学硕士学位论文第6章总结和展望6.2展望本解调系统从光路搭建到电路解调及完成上位机等功能模块，已形成一套完整的解调方案，在好多方面仍有提升空间。对于今后工作的意见与可预见的提高如下：1.可对系统整体代码进行优化，可根据FFP的特性，寻找到更加适合于FFP扫描工作的扫描频率，从而提高对波长扫描的准确度。2.本系统数据采集模块使用的是8bit的模数转换器，在今后的研究中，可以适当提高，从而得到更加精细的量化值，或可考虑直接由高速高精度数据采集卡进行采集，进而利于更好的波长解调。3.本系统采用串口通信模块，虽已足够满足本系统解调数据传输，但考虑到串口通信的适用度，可以考虑适用USB通信方式对信号进行有效传输。4.上位机软件方面，界面友好程度可以进一步提高；本系统光谱拟合模块是在上位机软件部分完成，拟合速率依赖于上位机运算性能等方面，可以考虑在硬件部分完成基于适合的算法进行高速拟合。并开发出更友好的界面对所需变量进行实时显示。另外，在上位机软件部分加入报警功能，这样可以实时监控各光栅所处温度变化，当有异常时可以及时采取措施。53 南昌航空大学硕士学位论文参考文献参考文献[1]饶云江,王义平,朱涛等.光纤光栅原理及应用.北京：科学出版社,2006.1～8[2]B.Zhang,M.Kahrizi.High-TemperatureresistancefiberBragggratingtemperaturesensorfabrication[J].IEEEsensorsjournal,7(4),586-591,2007.[3]J.Biqiang,Z.Jianlin,Q.Chxian.AnoptimizedstraindemodulationmethodbasedondynamicdoublematchedfiberBragggratingfiltering[J].OpticsandLasersinEngineering,49(3),415-418,2011.[4]YangMu,LiuXiuhong,LiuWei,etal..Appliedresearchofopticalfibersensorinoilandgaspipecorrosionmonitoring[J].Laser&OptoelectronicsProgress,2014,51(2):020604.[5]Benitez,D.;Gaydecki,P.A.;Zaidi,A.;Fitzpatrick,A.P.TheuseoftheHilberttransforminECGsignalanalysis.Comput.[J]Biol.Med.2001,31,399–406.[6]LingH,LauK,ChengL,etal..ViabilityofusinganembeddedFBGsensorinacompositestructurefordynamicstrainmeasurement[J].Measurement,2006,39(4):328-334.[7]LinJunxiu,WangWenhua,WangXiaoxu.Studyofapplicationandevolutionoffibergratingsensorstechnique[J].JournalofDalianUniversityofTechnology,2004,44(6):931-936.[8]Y.J.Rao,In-fiberBragggratingsensors[J],MeasSci&Tech,1997,8(4):355-357[9]HillKOetal.PhotosensitivityinOpticalFiberWaveguides:ApplicationtoReflectionFilterFabrication,AppliedPhysicsLetters,1978,32(10):647~649[10]MeltzG,MoreyWW,GlennWH.FormationofBragggratingsinopticalfiberbyatransversholographicmethod.OpticsLetters[J].1989,14:823-825[11]HillKO.BragggratingsfabricatedinmonomodephotosensitiveopticalfiberbyUVexposethroughaphasemask.AppliedPhysicsLetters[J].1993,62(10):1035-1037[12]P.J.Lemaire,R.M.Atidns,V.Mizrahi,etal.HighPressureH2LoadingasaTechniqueforAchievingUltrahighUVPhotosensitivityandThermalSensitivityinGeO2DopedOpticalfibers[J].Electron.Lett.,1992,29:119.[13]KerseyAD,BerkoffTA,MoreyWW.MultiplexedfiberBragggratingstrain-sensorsystemwithafiberFabry-Perotwavelengthfilter.[J].OpticsLetters,1993,18(16):1370-1372.[14]L.C.SNunes，L.C.GValente,A.M.BBraga.AnalysisofademodulationsystemforFiberBraggGratingsensorusingtwofixedfilters.OpticsandLasersinEnginnering[J].2004，42：529-542[15]杜卫冲,谭华耀.一种简单的增强光纤Bragg光栅温度灵敏度的方法[J].中国激光,1997(1):75-77.[16]江毅,陈伟民.光纤光栅用于应变/温度传感初探[J].传感技术学报,1997(3):43-47.[17]李营,张书练.基于可调谐F-P滤波器的光纤光栅解调系统[J].激光技术,2005,29(3):237-240.54 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南昌航空大学硕士学位论文攻读硕士学位期间发表专利及参加科研情况攻读硕士学位期间发表论文及参加科研情况发明专利龚强，万生鹏，路浩亮.基于DDS的具有线性补偿功能的光纤F-P腔驱动方法，发明专利，申请号：201510287182X实用新型专利路浩亮，万生鹏，龚强.一种具有过载保护功能的光纤布喇格光栅称重传感器，实用新型专利，（已授权），申请号：2014206170641参加主要科研项目1.国家自然科学基金“基于零相关窗互补码和谱线拟合的自发布里渊光纤传感技术研究”（编号：61067005）2.国家自然科学基金“基于梳状频谱探测光和图像特征提取技术的BOTDA系统研究”（编号：61465009）57 南昌航空大学硕士学位论文致谢致谢本文是在万生鹏教授指导下完成的，在研究生阶段，万老师对我的学业和个人发展给予了巨大的关怀和指导。导师严谨的治学态度、渊博的学术知识熏陶着我，使我在科研工作、学术素养方面有了很大提高；其忘我的工作热情、对科学发展的敏锐洞察力深深影响了我，让我终生受益。感谢408教研室，F105实验室，布里渊散射实验室的各位老师和师兄弟们，是你们给了我一个学术氛围浓厚的科研环境。老师给予我细心的教导，师兄弟们相互讨论学术、启发灵感，使我提高了个人能力。深深感谢我的父母和家人，你们的时刻挂念和默默支持坚定了我求学道路上的决心和信心，你们永远是我前进的动力。同时，感谢参加本次论文评审的专家和教授，感谢你们对本文提出宝贵意见。最后，谨以此文献给所有参与我生活的人，有你们的人生更精彩！58 南昌航空大学硕士学位论文附录附录解调系统FFP及其驱动实物图解调系统整体光路系统59 南昌航空大学硕士学位论文附录解调系统整体图60 南昌航空大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是我个人在导师指导下，在南昌航空大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确地说明并表示了谢意。本声明的法律结果将完全由本人承担。签名：日期：61
