多通道光纖布喇格光柵傳感器同步解調(diào)系統(tǒng)

摘要：為了實現(xiàn)對整個艦艇結(jié)構(gòu)狀態(tài)長期實時的監(jiān)控，構(gòu)建了基于光纖布喇格光柵傳感器的監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計了系統(tǒng)總體硬件電路，給出了系統(tǒng)軟件工作流程和尋峰算法流程，并最終完成了對系統(tǒng)的功能驗證。經(jīng)驗證，系統(tǒng)實現(xiàn)了多通道同步實時校準(zhǔn)的波長解調(diào)功能，掃描頻率可達4 kHz，能夠快速響應(yīng)監(jiān)控狀態(tài)，可直接進行工程應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)監(jiān)控；光纖布喇格光柵；尋峰；實時校準(zhǔn)；波長解調(diào)

在軍事領(lǐng)域，為了防止災(zāi)害事故的發(fā)生，對艦船、潛艇等這些重要軍事裝備必須要有結(jié)構(gòu)完整性要求。對使用中的艦船、潛艇進行連續(xù)、實時的監(jiān)測，有效地監(jiān)測和預(yù)測艦船、潛艇結(jié)構(gòu)的損傷累積過程，評定和預(yù)測艦船、潛艇結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，以及時地對結(jié)構(gòu)進行維修加固，保證其結(jié)構(gòu)沒有明顯的損傷存在，使艦船和潛艇安全可靠。

傳統(tǒng)的點式電測電傳方式易受強電磁干擾信號不易遠距離傳輸，這些檢測手段難以全面反映艦艇結(jié)構(gòu)的工作狀況，不能完成對整個結(jié)構(gòu)狀態(tài)長期的實時監(jiān)控。而光纖布喇格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)傳感器作為一種新型的光纖傳感器，體積小、抗電磁干擾能力強、易于組建傳感網(wǎng)絡(luò)并且能夠?qū)崿F(xiàn)傳感信息波長編碼等許多獨特優(yōu)點，為艦艇結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供了新的途徑。

鑒于此，為了實現(xiàn)對整個艦艇結(jié)構(gòu)狀態(tài)長期實時的監(jiān)控，筆者構(gòu)建了多通道光纖布喇格光柵傳感器同步解調(diào)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

多通道FBG傳感器同步解調(diào)系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。系統(tǒng)由光路部分和信號處理部分組成，光路部分采用基于可調(diào)諧F-P濾波器的實時校準(zhǔn)方案，主要由寬帶光源、可調(diào)諧F-P濾波器、3db光纖耦合器、光開關(guān)陣列(1×16)、FBG傳感陣列、帶標(biāo)記熱穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)具模塊和光電探測器等組成，以實現(xiàn)將外界溫度和應(yīng)變等調(diào)制信息轉(zhuǎn)換成電信號；信號處理部分用FPGA+DSP架構(gòu)協(xié)同處理，控制光開關(guān)陣列進行傳感光路選擇和D／A輸出三角波或鋸齒波驅(qū)動可調(diào)諧F-P濾波器，從而實現(xiàn)對光路的協(xié)同操作。然后啟動六路ADC，前五路采集光電探測器轉(zhuǎn)換的信號，最后一路采集調(diào)理后的三角波或鋸齒波作為觸發(fā)信號，觸發(fā)對其他五路數(shù)據(jù)的并行尋峰操作，通過查表將標(biāo)準(zhǔn)具透射信號的各峰值對應(yīng)的波長值確定，再將被測FBG傳感器反射信號的峰值位置和標(biāo)準(zhǔn)具的峰值陣列位置聯(lián)系起來，通過線性插值運算，能夠解調(diào)出FBG傳感器的中心波長，最后通過高速網(wǎng)口將波長數(shù)據(jù)傳送到上位機，從而實現(xiàn)全天候、實時監(jiān)控的功能要求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖2所示。系統(tǒng)上電以后要進行必要的復(fù)位操作，對DSP進行復(fù)位并為系統(tǒng)提供工作參考起始點；復(fù)位完成以后對系統(tǒng)的部分模塊進行必要的初始化操作，然后通過網(wǎng)口芯片和上位機根據(jù)TCP／IP協(xié)議建立連接，等待接收上位機下發(fā)的命令和工作參數(shù)；接著系統(tǒng)根據(jù)命令和參數(shù)作光開光控制等操作；最后進行的是系統(tǒng)的核心解調(diào)算法相關(guān)操作和數(shù)據(jù)上傳工作。高精度地測量光纖光柵反射波長的位移量是光柵解調(diào)的關(guān)鍵，對A／D采樣數(shù)據(jù)的高效處理是高精度測量光纖光柵反射波長的位移量的關(guān)鍵，尋峰算法更是對采樣數(shù)據(jù)進行高效處理的關(guān)鍵，系統(tǒng)自動尋峰算法如圖3所示。

如圖3所示，先預(yù)設(shè)一個初始谷值和初始峰值(因為是12位ADC且最小信號對應(yīng)為數(shù)字值為0，最大信號對應(yīng)數(shù)字值為4 095，所以設(shè)計中將谷值設(shè)為4 095，將峰值設(shè)為0)，采用比較法對實時采集的數(shù)據(jù)依次進行比較，小于預(yù)設(shè)谷值則暫存為谷值并記錄其位置，大于預(yù)設(shè)峰值則暫存為峰值并記錄其位置，當(dāng)同時滿足3個條件時，即峰值位置大于谷值位置，且峰值高于谷值達到預(yù)設(shè)某個閾值，并且峰值高于當(dāng)前掃描信號達到同一個閾值，即可判定該峰值為真峰值，將峰值位置記錄到峰值位置數(shù)組中去，將谷值和峰值大小重置為預(yù)設(shè)值，繼續(xù)讀取數(shù)組，重復(fù)以上步驟，直到三角波上升段AD采集完畢。

3 系統(tǒng)功能驗證

在實驗室環(huán)境中，對系統(tǒng)進行調(diào)試，圖4為借助DSP開發(fā)環(huán)境CCS3．3而捕獲的標(biāo)準(zhǔn)具透射信號數(shù)字波形，可見它是帶標(biāo)記點的峰值序列，圖5為某一路(總64路)光纖布喇格光柵陣列反射信號數(shù)字波形，有8個峰值即該路陣列有8個FBG傳感器，圖4和5中縱坐標(biāo)為信號數(shù)字幅值，橫坐標(biāo)為采樣點位置。這說明，系統(tǒng)能夠工作，可進行功能驗證。

在實驗室中，當(dāng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定后，通過電熱吹風(fēng)對中心波長為1 527．2 nm的光纖布喇格光柵傳感器進行加溫，工作一段時間后將系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)保存為文檔，用Matlab讀取該文件并畫出圖形，如圖6所示。由圖可見，隨著溫度的升高，傳感器的中心波長偏離的越大，其變化趨勢與溫度的變化趨勢一致，證明系統(tǒng)實現(xiàn)了測溫功能。測應(yīng)變的實驗類似，這樣整個系統(tǒng)設(shè)計完成。

4 結(jié)論

經(jīng)實驗驗證，系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)計功能，目前整個系統(tǒng)運行狀況良好，正處于整體性能測試階段。系統(tǒng)實時性高，體積小，便攜性強，具有很高的實用價值，可應(yīng)用于多點的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測、多區(qū)域溫度報警等實時傳感領(lǐng)域的工程實踐。