基于多级衍射及自适应补偿的光纤光栅传感器解调技术*

张晓鹏,董明利,刘 锋,祝连庆

(北京信息科技大学光电信息与仪器北京市工程研究中心,光电测试技术北京市重点实验室,北京 100192)



基于多级衍射及自适应补偿的光纤光栅传感器解调技术*

张晓鹏,董明利,刘 锋,祝连庆*

(北京信息科技大学光电信息与仪器北京市工程研究中心,光电测试技术北京市重点实验室,北京 100192)

解调技术是决定光纤光栅传感解调系统速率、精度、容量等性能的关键因素。提出一种基于线阵光电探测器成像原理的光纤光栅传感器解调方案,通过多级衍射,结合弱曝光自适应超频技术和FPGA并行数据处理技术,实现了对传感信号的快速解调,同时可以实现对级联型光纤光栅传感器和长周期光纤光栅传感器信号的解调。使用温度、应力敏感光纤光栅传感器对搭建的铁路桥模型进行监测,实验结果表明,光纤光栅传感系统的解调精度可以达到10 pm量级,系统可测量光谱范围达50 nm,提高了传感系统的解调速率和精度,同时实现了光纤光栅解调设备的微型化。

光纤光栅传感器;线阵光电探测器;多级衍射;自适应补偿;FPGA解调

传统的传感器及其解调技术在常规领域内得到了广泛的应用,但是对于一些特殊、极端环境,如航空航天、航海、医疗以及石化等特殊工业,普通的传感器已经无法满足如此极端环境的要求。为解决这样的问题,光纤光栅传感器应运而生[1]。

近年来光纤光栅传感器及其解调仪的研究备受瞩目,其中美国Micron Optics公司,Ocean Optics公司,Ibsen公司和荷兰Avantes公司都在开展相关研究。其中光路设计方面主要采用基于光纤Fabry-Perot(F-P)滤波器解调法[2]和基于衍射光栅与线阵光电探测器解调法[3]。Fabry-Perot(F-P)滤波器解调法是现在效果较好的一种解调方法,而其存在诸多弊端,诸如解调速度、仪器体积等[4]。而基于衍射光栅与线阵光电探测器解调法中又分为体相位光栅法[5]和反射式衍射光栅法等[6]。BaySpec公司生产的基于体相位光栅法光纤光栅传感器解调仪在国内得到广泛应用,不过其在解调速度和解调精度方面仍有不足[7]。这就使得基于衍射光栅与线阵光电探测器法成为研究热点,而其较小的体积也备受一些非常规领域使用者的青睐[8-9]。我国是从20世纪90年代开始开展相关研究,国外对国内进行技术封锁,相关原理设备和知识产权较少,大多数设备的体积、解调精度和采样率无法达到应用水平[10-11]。

本文研究的重点是如何实现更快,更精确,数据量更庞大的传感系统。对于光纤光栅传感器,精度以及解调范围是光纤光栅传感器解调仪的发展根本,因此高速光纤光栅传感器解调仪成为研究热点[12-14]。本文基于线阵光电探测器成像原理对高速大容量光纤光栅解调仪展开研究,结合光电检测与数据高速传输理论,在光电检测方面采用线阵光电探测器成像技术,多级衍射技术。在高速传输方面采用FPGA并行数据处理技术,集成光学色散系统和FPGA(Field-Programmable Gate Array)解调系统,采用弱曝光自适应补偿超频技术设计并制作一台小型高速光纤光栅传感器解调仪。

1 高速光纤光栅传感器解调系统设计

1.1 解调原理

基于线阵光电探测器成像原理的解调仪是通过线阵光电探测器作为转换媒介,把光谱信息转换成电信号,供后续电路解调使用。其中,光路采用透射光栅色散原理,把反射光谱进行色散处理后投射到线阵光电探测器感光面上,从而在线阵光电探测器不同像元上对反射光谱进行光电转换。这样可以扩大解调范围、提高解调精度。

数据处理方面,采用高速FPGA作为核心器件,把经本地处理后的数据传输给上位机。解调仪与上位机接口采用千兆以太网口,这种设计可以满足大数据量、高速信号处理的需求。在需要大面积铺设传感器的应用中,这种解调方式极大的节省了布线量。甚至可以采用光纤光栅级联或长周期光纤光栅形式进行布局布线。图1为光纤光栅传感器数据采集系统框图。

图1 系统框架图

如图所示,光电探测器接收到信号后,经由信号调理电路和数据转换电路把信号发送给主控芯片FPGA,再由FPGA控制高速高精度处理器发送数据给上位机。

1.2 基于多级衍射与线阵光电探测器光路设计

为了实现光纤光栅传感器的小型化,通过采用多级衍射的方法,实现大角度色散,并利用衍射光栅特有的衍射角度合理布局,有效缩短光程,实现光路系统微型化。所有器件均选用微小型产品,经过组合、调试、标定、封装后可以更好地应用在空间受限的场合。图2为多级衍射光路原理图。

图2 多级衍射光路原理图

如图2所示,入射光首先经过第1个衍射光栅,完成一级衍射,此时光谱产生色散,然后被色散后的入射光经过第2个衍射光栅后色散效果进一步增强,完成二级衍射。经过两级衍射后的光谱再经由凹面镜的汇聚投射到线阵光电探测器上,供电路部分使用。

在采用多级衍射技术的同时,选择适用于红外波段的特殊光栅,不仅覆盖现在解调信号常用的激光波长,而且可以进一步提高解调范围,获得更高的频谱分辨率,大幅度提高波长测量精度。为了应对长周期光栅或多光栅级联的情况,采用光谱成像原理实现同时解调多组信号,并在保证测量数量的前提下,极大的提高了系统分辨率和解调精度。

为了验证所提方案的合理性,本文使用ZEMAX软件进行了模拟分析。具体参数设置如下。

表1 ZEMAX模拟参数

光路模型和模拟结果如图3。图3为使用ZEMAX模拟后的系统图,通过仿真可以看出与设计结果一致。

图3中,1 520 nm、1 550 nm、1 570 nm光源在凹面镜焦点处的纵向分布情况如图4所示。可以看出,沿着成像面的Y轴方向,光谱从小到大逐一展开。

图3 解调光路模拟图

图4 成像面光谱图

由于光学器件对温度敏感,所以为了提高解调精度,需要在中心波长测量值的基础上进行温漂标定,式(1)提出了一种合理的光学器件温漂标定公式,可以在pm量级对测量结果进行修正。首先建立检测波长与温度之间的线性关系,线性式系数为大于零的小数,以此设定便于程序处理和分析。由于线性关系变化范围过快,需要在上述线性式的基础上加上分母,进行类似于归一化的精细微调,为了实现微调的效果,分母也被设定为温度的线性式。

(1)

式中:λT为波长测量值,T为温度值,α、β、α0、β0为需要标定的系数。经过实验检测,式(1)可以较好的对温度漂移带来的波长漂移进行补偿。

1.3 基于自适应补偿的高速传输处理电路设计

1.3.1 高速处理传输系统方案

经过凹面镜聚焦后的光信号,投射在线阵光电探测器上,线阵光电探测器同样采用对红外波长敏感的材料InGaAs,具有速率高、分辨率高等特点,检测范围可达900nm到1800nm。将线阵光电探测器采集到的信号经预处理并进行16bitAD转换后并行传输至FPGA,利用FPGA强大的并行处理和逻辑处理能力对信号管理,最后经由千兆以太网传输至上位机进行分析、显示、存储等。高速处理传输系统是以FPGA为核心器件构建,具有灵活多变的分析处理能力,可以把更多的外围电路依靠FPGA实现,实现解调设备的微型化。系统设计中使用高速高频器件,采用FPGA并行数据处理技术,工作频率达到10MHz以上,大大提升了数据处理速度和数据吞吐量。

1.3.2 弱曝光自适应补偿超频技术

线阵光电探测器的数据输出频率为4MHz,使系统解调速度受到限制,因此尽可能增加系统在单位时间内采集到的传感器信号,可以更好地发挥系统解调速率优势。采用弱曝光自适应补偿超频技术,用FPGA产生线阵光电探测器复位信号,使其复位周期缩短到微妙甚至纳秒量级,以实现在线阵光电探测器输出频率不变的情况下,检测到更多的传感器信号,从而提高系统解调速度。通过FPGA时序逻辑控制,可以实现不同条件需求下曝光时间的自适应调节。弱曝光自适应补偿超频技术在对检测速度有较高要求的环境中可以起到比较好的效果。如图5所示,是以FPGA为核心的线阵传感器弱曝光自适应补偿超频技术的原理图。

图5 弱曝光自适应补偿超频技术原理图

图5中,从左到右依次是光电线阵传感器,4个控制端口。4个控制端口分别为AD片选信号,光电线阵探测器reset信号,AD采样信号和光电线阵探测器时钟信号。通过程序控制光电线阵探测器reset信号以及光电线阵探测器时钟信号可以达到弱曝光自适应补偿超频技术。根据需求设定解调速率或曝光时间,通过FPGA的处理把上述参数要求变换为光电线阵探测器的时钟信号,和复位信号。根据需求可以选择时钟信号超频或者弱曝光技术,采取自适应的方式由系统内部根据上位机要求决定需要采用的曝光时间和时钟信号速率,之后通过协调光电线阵探测器提供给数模转换器的转换信号完成解调信号的采集,最后经由FPGA并行处理系统完成解调。

为更好地的发挥系统解调速率高的优势,需要一个稳定的信号处理系统,是线阵光电探测器信号处理系统中的调理电路。调理电路通过阻容滤波,阻抗匹配实现对模拟信号的预处理,提高信号的信噪比,给模数转换提供完善的信号。预处理电路与FPGA的同步也是能否实现弱曝光自适应补偿超频技术的关键。预处理电路中,需要经过大量计算和实验使解调信号在高速传输中不会产生串扰和噪声,需要注意PCB高速高频布线技术的应用,需要合理利用阻容滤波,阻抗匹配使得采样波形达到信噪比最优。原理图如图6所示。

图6 预处理电路原理图

1.3.3FPGA并行处理程序设计

使用verilog语言编写FPGA逻辑分析和数据处理程序,接收数据,经分析处理后,通过TCP/IP包封装工具将数据通过网口发送至上位机。使用FPGA并行数据处理技术,最大限度的发挥FPGA的并行处理能力,实现多组数据的同时处理,加快数据处理速度。FPGA数据处理程序的主要流程如图7所示。

图7 部分流程图

从图7可以看出需要程序控制曝光时间,同时还需要将原数据打包成TCP/IP包,并最终通过mac数据包的形式发送给上位机。

2 实验结果和分析

2.1 实验装置

搭建1∶100的铁路桥微缩模型,分别在桥梁底部,铁轨附近以及悬挂钢索上布置光纤光栅传感器,实现对铁路桥的监测。光纤光栅传感器采用对温度以及应力敏感的封装形式,采用光纤光栅级联方式,利用线阵光电探测器解调仪的高同步性、大量程等特点,实现对5个位置温度和应力变化的同步监测。实验装置如图8所示。

图9中给出了实验模型中光纤光栅的摆放位置。本文中采用封装后的光纤光栅传感器模型,封装采用金属衬底片式封装。光纤光栅传感器如图10所示。

图8 桥梁模型

图9 桥梁模型测量点对应图

图10 光纤光栅传感器

图11 线阵光电探测器输出端

2.2 线阵光电探测器结果分析

使用线阵光电探测器采集5个监测点的数据,结果如图11所示,可清楚的看出线阵光电探测器采集到了5个不同光纤光栅传感器的信号,其中从左到右分别代表(1)号到(5)号光纤光栅传感器。信号的幅值表示所使用的宽带光源在相应频谱处的光强,光强转换为输出电压后其范围在1.2V到2.7V之间。图11到图18横坐标均为时间,纵坐标均为电压。

图11横坐标对应光谱范围,纵坐标对应信号强度,横坐标体现了解调系统的解调范围。图中共有5个监测点,从左到右分别为监测点(1)到监测点(5)。

(1)号和(3)号光纤光栅传感器的反射峰具体波形如图12所示。可以看出,每个峰值对应4个～5个线阵光电探测器像元,通过对这4个～5个强度值进行分析解调最终得出反射峰峰值对应的光谱值。

图12 (1)与(3)号监测点峰值处局部放大像素点

线阵光电探测器采集到的信号是模拟信号,需对此模拟信号进行预处理变为差分信号后进行AD转换才能被FPGA系统接收。其中(3)号监测点预处理后的信号及经过AD后的数字信号分别如图13和图14所示。

图13 经调理电路后模数输入端

图14 模数输出端

图15是图14的局部放大图,可以看出经处理后的数字信号波形清晰,稳定度较高,确保了解调系统应有的解调数据大吞吐量得以实现。

图15 AD输出端局部放大

在弱曝光自适应补偿超频技术中FPGA需要控制线阵光电探测器的reset信号,图16和图17为两种不同的曝光时间对应的reset信号波形图。通过控制reset信号使得系统解调频率大大提高,可以看出解调频率可高于5MHz,下图中所提供的解调频率为2MHz和6MHz。

图16 强曝光

图17 弱曝光

2.3 实验结果分析

经过线阵光电探测器、预处理电路、模数转换电路以及FPGA数据处理电路最终可以由上位机解调出光谱图。实验中温度源变化范围在15 ℃至30 ℃,振动源变化范围为2kHz到7kHz。

图18是本文所设计的实验系统测得的结果,可清晰观测到5个监测点的信号,与Bayspec公司制作的解调仪采集的数据基本一致。

图18 实验系统解调光谱图

为进一步验证本文所设计的光线光栅传感解调系统的准确性,采用高斯拟合方式分别对本系统和Bayspec公司系统,光谱仪测量值进行数据寻峰对比,通过重复采样后取加权平均后结果如表2所示,可以看出本系统所测得的信号的准确性较高。经误差分析与计算,系统精度可达10pm量级。

表2 寻峰数据对比

3 结论

本文基于线阵光电探测器设计了一套光纤光栅解调系统,该系统使用弱曝光自适应补偿超频技术和FPGA并行数据处理技术,可以实现对反射光谱在1 520nm到1 570nm范围内的光纤光栅传感器进行解调,解调频率可达15kHz以上,反射谱寻峰分辨率可达皮米量级。具有数据处理速度高、数据吞吐量大、体积小、低功耗、分辨率高等优点,具有良好的应用前景。

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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

张晓鹏(1987-),男,硕士,主要从事高速大容量分布光纤光栅传感器解调技术研究,对FPGA,嵌入式,光纤光栅传感及光纤光栅激光器均有涉猎。通信工程学士学位,光电测试硕士学位;

董明利(1965-),女,博士、硕士生导师。中国计量测试学会学术工作委员会常务理事兼副秘书长,全国误差与不确定度研究会理事,北京信息科技大学光电工程学院任教授;

祝连庆(1963-),男,博士、博士生导师。于合肥工业大学分别获学士、硕士学位,2013年于哈尔滨工业大学获博士学位。现任北京信息科技大学教授,“光电测试技术”北京市重点实验室主任,“光电信息与仪器”北京市工程研究中心主任。

项目来源:北京市重大科技计划项目(PXM2013-014224-000077,PXM2012-014224-000019);光电信息与仪器北京市工程研究中心开放课题项目(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