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(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)艦艇結(jié)構(gòu)狀態(tài)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)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(jì)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(duì)系統(tǒng)的功能驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多通道同步實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的波長(zhǎng)解調(diào)功能，掃描頻率可達(dá)4 kHz，能夠快速響應(yīng)監(jiān)控狀態(tài)，可直接進(jìn)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(shí)時(shí)校準(zhǔn)；波長(zhǎng)解調(diào)

    在軍事領(lǐng)域，為了防止災(zāi)害事故的發(fā)生，對(duì)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(duì)使用中的艦船、潛艇進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，有效地監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)艦船、潛艇結(jié)構(gòu)的損傷累積過(guò)程，評(píng)定和預(yù)測(cè)艦船、潛艇結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，以及時(shí)地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修加固，保證其結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯的損傷存在，使艦船和潛艇安全可靠。
    傳統(tǒng)的點(diǎn)式電測(cè)電傳方式易受強(qiáng)電磁干擾信號(hào)不易遠(yuǎn)距離傳輸，這些檢測(cè)手段難以全面反映艦艇結(jié)構(gòu)的工作狀況，不能完成對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)長(zhǎng)期的實(shí)時(shí)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(qiáng)、易于組建傳感網(wǎng)絡(luò)并且能夠?qū)崿F(xiàn)傳感信息波長(zhǎng)編碼等許多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，為艦艇結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供了新的途徑。
    鑒于此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)艦艇結(jié)構(gòu)狀態(tài)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)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(jì)
    多通道FBG傳感器同步解調(diào)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)由光路部分和信號(hào)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(shí)時(shí)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(kāi)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(cè)器等組成，以實(shí)現(xiàn)將外界溫度和應(yīng)變等調(diào)制信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；信號(hào)處理部分用FPGA+DSP架構(gòu)協(xié)同處理，控制光開(kāi)關(guān)陣列進(jìn)行傳感光路選擇和D／A輸出三角波或鋸齒波驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧F-P濾波器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光路的協(xié)同操作。然后啟動(dòng)六路ADC，前五路采集光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換的信號(hào)，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(hào)，觸發(fā)對(duì)其他五路數(shù)據(jù)的并行尋峰操作，通過(guò)查表將標(biāo)準(zhǔn)具透射信號(hào)的各峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值確定，再將被測(cè)FBG傳感器反射信號(hào)的峰值位置和標(biāo)準(zhǔn)具的峰值陣列位置聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)線性插值運(yùn)算，能夠解調(diào)出FBG傳感器的中心波長(zhǎng)，最后通過(guò)高速網(wǎng)口將波長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)全天候、實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能要求。

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2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。系統(tǒng)上電以后要進(jìn)行必要的復(fù)位操作，對(duì)DSP進(jìn)行復(fù)位并為系統(tǒng)提供工作參考起始點(diǎn)；復(fù)位完成以后對(duì)系統(tǒng)的部分模塊進(jìn)行必要的初始化操作，然后通過(guò)網(wǎng)口芯片和上位機(jī)根據(jù)TCP／IP協(xié)議建立連接，等待接收上位機(jī)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(kāi)光控制等操作；最后進(jìn)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(cè)量光纖光柵反射波長(zhǎng)的位移量是光柵解調(diào)的關(guān)鍵，對(duì)A／D采樣數(shù)據(jù)的高效處理是高精度測(cè)量光纖光柵反射波長(zhǎng)的位移量的關(guān)鍵，尋峰算法更是對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理的關(guān)鍵，系統(tǒng)自動(dòng)尋峰算法如圖3所示。

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    如圖3所示，先預(yù)設(shè)一個(gè)初始谷值和初始峰值(因?yàn)槭?2位ADC且最小信號(hào)對(duì)應(yīng)為數(shù)字值為0，最大信號(hào)對(duì)應(yīng)數(shù)字值為4 095，所以設(shè)計(jì)中將谷值設(shè)為4 095，將峰值設(shè)為0)，采用比較法對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)依次進(jìn)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(shí)滿足3個(gè)條件時(shí)，即峰值位置大于谷值位置，且峰值高于谷值達(dá)到預(yù)設(shè)某個(gè)閾值，并且峰值高于當(dāng)前掃描信號(hào)達(dá)到同一個(gè)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(yàn)證
    在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，圖4為借助DSP開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS3．3而捕獲的標(biāo)準(zhǔn)具透射信號(hào)數(shù)字波形，可見(jiàn)它是帶標(biāo)記點(diǎn)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(hào)數(shù)字波形，有8個(gè)峰值即該路陣列有8個(gè)FBG傳感器，圖4和5中縱坐標(biāo)為信號(hào)數(shù)字幅值，橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)位置。這說(shuō)明，系統(tǒng)能夠工作，可進(jìn)行功能驗(yàn)證。

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    在實(shí)驗(yàn)室中，當(dāng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定后，通過(guò)電熱吹風(fēng)對(duì)中心波長(zhǎng)為1 527．2 nm的光纖布喇格光柵傳感器進(jìn)行加溫，工作一段時(shí)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(huà)出圖形，如圖6所示。由圖可見(jiàn)，隨著溫度的升高，傳感器的中心波長(zhǎng)偏離的越大，其變化趨勢(shì)與溫度的變化趨勢(shì)一致，證明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了測(cè)溫功能。測(cè)應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)類似，這樣整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成。

4 結(jié)論
    經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，目前整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，正處于整體性能測(cè)試階段。系統(tǒng)實(shí)時(shí)性高，體積小，便攜性強(qiáng)，具有很高的實(shí)用價(jià)值，可應(yīng)用于多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)、多區(qū)域溫度報(bào)警等實(shí)時(shí)傳感領(lǐng)域的工程實(shí)踐。