多通道光纤布喇格光栅传感器同步解调系统

摘要：为了实现对整个舰艇结构状态长期实时的监控，构建了基于光纤布喇格光栅传感器的监控系统，设计了系统总体硬件电路，给出了系统软件工作流程和寻峰算法流程，并最终完成了对系统的功能验证。经验证，系统实现了多通道同步实时校准的波长解调功能，扫描频率可达4 kHz，能够快速响应监控状态，可直接进行工程应用。
关键词：结构监控；光纤布喇格光栅；寻峰；实时校准；波长解调

    在军事领域，为了防止灾害事故的发生，对舰船、潜艇等这些重要军事装备必须要有结构完整性要求。对使用中的舰船、潜艇进行连续、实时的监测，有效地监测和预测舰船、潜艇结构的损伤累积过程，评定和预测舰船、潜艇结构的安全性和可靠性，以及时地对结构进行维修加固，保证其结构没有明显的损伤存在，使舰船和潜艇安全可靠。
    传统的点式电测电传方式易受强电磁干扰信号不易远距离传输，这些检测手段难以全面反映舰艇结构的工作状况，不能完成对整个结构状态长期的实时监控。而光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器作为一种新型的光纤传感器，体积小、抗电磁干扰能力强、易于组建传感网络并且能够实现传感信息波长编码等许多独特优点，为舰艇结构健康监测提供了新的途径。
    鉴于此，为了实现对整个舰艇结构状态长期实时的监控，笔者构建了多通道光纤布喇格光栅传感器同步解调系统。

1 系统总体设计
    多通道FBG传感器同步解调系统总体设计如图1所示。系统由光路部分和信号处理部分组成，光路部分采用基于可调谐F-P滤波器的实时校准方案，主要由宽带光源、可调谐F-P滤波器、3db光纤耦合器、光开关阵列(1×16)、FBG传感阵列、带标记热稳定性标准具模块和光电探测器等组成，以实现将外界温度和应变等调制信息转换成电信号；信号处理部分用FPGA+DSP架构协同处理，控制光开关阵列进行传感光路选择和D／A输出三角波或锯齿波驱动可调谐F-P滤波器，从而实现对光路的协同操作。然后启动六路ADC，前五路采集光电探测器转换的信号，最后一路采集调理后的三角波或锯齿波作为触发信号，触发对其他五路数据的并行寻峰操作，通过查表将标准具透射信号的各峰值对应的波长值确定，再将被测FBG传感器反射信号的峰值位置和标准具的峰值阵列位置联系起来，通过线性插值运算，能够解调出FBG传感器的中心波长，最后通过高速网口将波长数据传送到上位机，从而实现全天候、实时监控的功能要求。

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2 系统软件设计
    系统软件设计流程如图2所示。系统上电以后要进行必要的复位操作，对DSP进行复位并为系统提供工作参考起始点；复位完成以后对系统的部分模块进行必要的初始化操作，然后通过网口芯片和上位机根据TCP／IP协议建立连接，等待接收上位机下发的命令和工作参数；接着系统根据命令和参数作光开光控制等操作；最后进行的是系统的核心解调算法相关操作和数据上传工作。高精度地测量光纤光栅反射波长的位移量是光栅解调的关键，对A／D采样数据的高效处理是高精度测量光纤光栅反射波长的位移量的关键，寻峰算法更是对采样数据进行高效处理的关键，系统自动寻峰算法如图3所示。

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    如图3所示，先预设一个初始谷值和初始峰值(因为是12位ADC且最小信号对应为数字值为0，最大信号对应数字值为4 095，所以设计中将谷值设为4 095，将峰值设为0)，采用比较法对实时采集的数据依次进行比较，小于预设谷值则暂存为谷值并记录其位置，大于预设峰值则暂存为峰值并记录其位置，当同时满足3个条件时，即峰值位置大于谷值位置，且峰值高于谷值达到预设某个阈值，并且峰值高于当前扫描信号达到同一个阈值，即可判定该峰值为真峰值，将峰值位置记录到峰值位置数组中去，将谷值和峰值大小重置为预设值，继续读取数组，重复以上步骤，直到三角波上升段AD采集完毕。

3 系统功能验证
    在实验室环境中，对系统进行调试，图4为借助DSP开发环境CCS3．3而捕获的标准具透射信号数字波形，可见它是带标记点的峰值序列，图5为某一路(总64路)光纤布喇格光栅阵列反射信号数字波形，有8个峰值即该路阵列有8个FBG传感器，图4和5中纵坐标为信号数字幅值，横坐标为采样点位置。这说明，系统能够工作，可进行功能验证。

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    在实验室中，当系统工作稳定后，通过电热吹风对中心波长为1 527．2 nm的光纤布喇格光栅传感器进行加温，工作一段时间后将系统上传的数据保存为文档，用Matlab读取该文件并画出图形，如图6所示。由图可见，随着温度的升高，传感器的中心波长偏离的越大，其变化趋势与温度的变化趋势一致，证明系统实现了测温功能。测应变的实验类似，这样整个系统设计完成。

4 结论
    经实验验证，系统实现设计功能，目前整个系统运行状况良好，正处于整体性能测试阶段。系统实时性高，体积小，便携性强，具有很高的实用价值，可应用于多点的结构安全监测、多区域温度报警等实时传感领域的工程实践。