摘要：多參量多點實時監測顯示是傳感研究領域的一項重要技術。以光纖Fabry-Perot（F-P）腔與光纖Bragg光柵（FBG）傳感器的串聯復用結構為單元構建空分復用（SDM）系統，設計了溫度、應力多點實時顯示的方案。由FPGA構建的SOPC與NiosⅡ完成對多監測點的數據采集，由VB串口通信接收FPGA存儲器存儲的采集數據，再把此數據由高斯曲線擬合方程處理得到溫度和應力的參數值，zui后用VB實現監測顯示。結果表明F-P腔與FBG串聯能有效克服溫度與應力的交叉敏感，FPGA結合VB能很方便的實現多參量多點的實時監測顯示。
　　
　　關鍵詞：光纖傳感；空分復用；溫度與應力顯示；FPGA；VB
　　
　　引言
　　
　　近年來，光纖光柵傳感技術的應用在各行各業中得到了快速的發展。人們對待測物理量在精度、性能、容量以及多參數等方面提出了更高的要求。這極大地促進了光纖光柵傳感復用類型相關理論和技術的研究，而解調顯示技術正是其中的一個重要環節，現常以ARM，DSP，FPGA等芯片為核心控制多路數據信號的采集、存儲和處理，并用LabVIEW，VB，Matlab及其混合使用等做界面顯示處理。
　　
　　文中FPGA與VB結合實現多參量的監測顯示，得益于FPGA高度集成、內部資源豐富、功能強大、時序控制、支持并行處理、編程靈活等優點；VB簡潔易懂、界面設計簡單。
　　
　　本文主要完成了對多監測點雙參數監控顯示的研究。FBG能通過反射或透射波長實現對溫度的測量；F-P可用做可調諧F-P腔、濾波器、傳感器等，調節腔長與電壓的關系能實現對應力解調。故首先設計了一種基于FBG與F-P腔傳感器串聯復用，并對其進行空分復用，構建成能實現多監測點雙參數高精度解調的系統。分析F-P腔與FBG串聯復用的光譜，可知能實現待測信號的高精度解調：即F-P腔長（應力）和FBG反射中心波長（溫度）的同時測量。并使用FBG和F-P腔分別對溫度與應力進行測量，進而與F-P腔和FBG串聯復用所得結果進行比較，通過實驗對該方法進行了驗證。而空分復用就能實現多個監測點的雙參數高精度解調。此后由FPGA構建的SOPC與NiosⅡ完成對多監測點雙參數的數據采集；由VB串口通信進行數據接收，并把采集到的數據帶入高斯曲線擬合方程中，求出具體的溫度與應力，并用VB界面實現了監控顯示。
　　
　　1、原理分析與理論模型
　　
　　1．1FBG的應變和溫度響應
　　
　　根據光纖耦合模型理論可知，滿足Bragg條件的反射光波長為：
　　
　　λB=2neffΛ（1）
　　
　　式中：Λ為光柵周期；neff為有效折射率。當Λ和neff因外界同時引起較小的變化ΔΛ和Δneff時，由Bragg條件可知，反射波長會發生移位ΔλB。ΔλB可表示為：
　　
　　△λB=2△neffΛ+2neffΔΛ（2）
　　
　　若溫度、應變共同作用時，產生的Bragg波長位移ΔλB，用線性關系可表示為：　　
　　式中：α是光纖材料的熱膨脹系數；△T是溫度變化量；pmn為材料的光彈系數；v2，v3為泊松比。由式（3）可知，由單一FBG在測得中心波長移動ΔλB時，還需知道溫度才能求出應變，這就是溫度與應變的交叉敏感問題。當應變和溫度同時發生變化時，光纖光柵無法區分由二者獨自引起的波長變化，測量其中一個量時，總會受到另一個量的影響。為解決交叉敏感問題，人們提出了多種方法，其中串聯復用傳感就是一種有效的方法。如光纖布拉格光柵和長周期光柵結合的傳感器系統，該系統能實現油氣井下應力和溫度的同時測量。本文研究F-P腔與FBG串聯復用傳感，能消除交叉敏感影響，并對該串聯復用傳感器進行空分復用實行多點監測，zui終用VB編碼實現數值界面顯示。
　　
　　1．2F-P腔與FBG串聯復用傳感器的解復用
　　
　　因為F-P腔有溫度-壓力交叉敏感性能實現對溫度的補償，能使測量精度提高，故可采用F-P腔與FBG串聯復用傳感器的解復用。其結構如圖1所示。　　
　　原理闡述：光從光纖左端入射Iin，進入FBG與F-P腔串聯復用的結構中，首先經過FBG溫度傳感器，此時Bragg反射波長附近的一部分光I1被反射，而透射光I2入射到F-P腔傳感器，得到F-P反射光譜為一低反襯度的F-P腔干涉光譜I3，I3再通過FBG傳感器，其透射光部分為I4。與之前的FBG傳感器反射光I1相疊加形成zui終的輸出光譜Iout。其數學表達式為：
　　
　　Iout=I1+I4=Iin[fFBG+（1-fFBG）2fF-P]（4）
　　
　　式中：fFBG=R·exp[-（λ-λB）2／c2]，即用高斯分布來表示FBG的反射譜，R為光柵峰值反射率；λB為Bragg反射中心波長；c值的大小用于表征反射峰的寬度；fF-P=2r[1+cos（4πL／λ+π）]，其中r為光纖端面反射率。L為F-P腔的腔長，λ為光波長。
　　
　　由式（4）可知，由傳感器返回的光譜并不是FBG傳感器與F-P腔傳感器各自反射光譜的簡單疊加。此時，若直接采集光譜信號中的FBG反射峰值波長作為FBG傳感器的溫度解調信號，將導致結果發生偏差，影響溫度測量精度。為了得到的FBG反射光譜信號，將式（4）展開成為關于fFBG的一元二次方程：　　
　　解此方程，可得的FBG反射光譜，進而通過對解出的光譜峰值部分進行高斯擬合，求解出中心位置，即可解出FBG的中心波長。式（5）中Iout和Iin是可直接測量得到的光譜分布數據，fF-P通過F-P腔反射光譜的交叉相關解調算法得到。消除FBG對F-P腔解調的影響只需找到FBG的粗略峰值位置，將FBG峰值部分光譜數據從光譜中扣除。由于FBG光譜寬度遠小于寬譜光源寬度，而交叉相關計算對于小范圍光譜數據的缺失不敏感，因而不影響F-P腔解調結果的精度。
　　
　　將相關解調計算得到的fF-P帶入式（5），得到方程的解為：　　
　　在實際解調過程中，可取測量得到的原始FBG光譜峰值附近一定范圍的光譜數據做上述運算，得到分離后FBG的新光譜并進行高斯擬合，即可得到的FBG的中心波長位置。故該串聯復用能實現雙參數解調。
　　
　　2、解調研究
　　
　　2．1FBG與F-P腔傳感串聯復用進行空分復用的解調
　　
　　分析FBG與F-P腔傳感串聯復用可知，能同時實現對溫度和應變的高精度測量。通過對該串聯復用系統進行空分復用，能實現對多監測點的雙參數測量。以可調諧窄帶激光F-P腔做光源，可使各分路的光功率提高，提高系統的信噪比，解調范圍可控制。為此構建一個能同時測量溫度和應變，并且能大幅度提高度的空分復用系統。對該空分復用系統各路光纖進行解調設計的原理如圖2所示。　　
　　首先用FPGA控制多路選擇開關，選擇具體的某路光纖。進入到光電探測器中，將光信號轉換為模擬電信號并用A／D轉換為數字信號。采集完數據并存儲于FPGA存儲器中，再進行下一路光纖數據的采集，如此循環，在一給定的時序內完成所有光路的數據采集，并將數據用數組存儲。zui終通過對FPGA進行配置與編程，實現對存儲器的讀寫轉換，用RS232數據線通過VB串口通信連接到計算機中進行處理，實現對溫度／應力的顯示。FPGA的I／O端口可擴展為多路開關和A／D轉換，進一步能實現對更多路的監測解調。
　　
　　2．2數值界面監控顯示
　　
　　2．2．1軟核配置與數據采集
　　
　　以FPGA開發板EP2C8Q208為硬件平臺，在QuartusⅡ11．0的SOPCBuilder里，設計NiosⅡ軟核處理器及功能模塊。直接調用Altera提供的IP核，功能模塊IP核經配置后，即可加入到系統中。此處添加的模塊有CPU，SDRAM，FLASH，PIO，SPI，M4KRAM，UART，DS等。其連接圖如圖3所示。　　
　　PIO模塊主要用來實現A／D的配置和控制；RAM為緩沖存儲塊，設置為雙端口RAM，一個端口寫，另一個端口讀；DS時鐘模塊進行時序控制；SDRAM隨機存儲器；FLASH程序下載固化時用；NiosⅡ軟件編程控制模塊，通過各模塊的配置以及NiosⅡ的程序來尋址IP核，完成數據的采集；以RS232串口線完成FPGA與PC的連接，并由UART與編寫的VB串口實現通信。
　　
　　2．2．2數據串口通信
　　
　　主要是將NiosⅡIDEmain（）里的數組尋址RAM模塊讀來的數據，傳送到VB串口接收窗口中，以NiosⅡ軟核處理器中的UART（RS232）實現數據與PC通信。此處需在PC上用VB編寫一個串口通信端口來接收RAM里的數據。注意UART與VB接收端口的波特率必須一致，否則不能成功通信。以下為VB處理代碼：
　　
　　（1）VB串口端口通信，由mscomm控件來完成通信，其初始化為：　　
　　（3）TxtReceive接收文本的數據，每過5s刷新數據，并繼續接收由FPGA采集傳來的數據。由timer控件處理，其屬性Enabled為True，Interval為5000，timer（）事件為Form1．Text1．Text=串口調試軟件．TxtReceive．Text。確保引用接收到的數據是實時正確的。
　　
　　2．2．3VB界面顯示
　　
　　將VB串口通信接收端接收到的數據，經過高斯曲線擬合方程處理，求出對應的溫度和應力。由于條件限制，實驗中采用的FBG中心波長均為1550nm，腔長為15μm的F-P腔。以第1路光纖為例，實驗測得的參數由Matlab進行高斯曲線擬合結果如圖4所示：圖4（a）為F-P腔長與應力變化關系曲線，在F-P腔長為8．5μm范圍內對應著10-3ε，擬合的高斯方程可表示為：
　　
　　F=（L-15）×1000／85（7）
　　
　　式中：L代表所測的F-P腔長；F代表應力。故由測得的腔長L可求出F。　　
　　圖4（b）為FBG反射中心波長與溫度變化關系，擬合的高斯方程為：
　　
　　λB=9．565T+1550．12175（8）
　　
　　式中：T代表所測溫度；λB代表FBG反射中心波長。故由測得反射中心波長λB可求出T。zui后通過VB代碼編寫實現所測溫度與應力的界面監控顯示。
　　
　　這里以引用VB串口接收8路通道采集的數據為例，雙參數顯示的代碼如下：　　
　　由FBG0采集的數據，用Matlab高斯曲線擬合通過方程處理求出T／F。　　
　　由FBG1采集的數據，用Matlab高斯曲線擬合通過方程處理求出T／F。　　
　　多路解調雙參數T／F數值監控顯示的實驗結果如圖5所示。　　
　　3、結語
　　
　　理論與實驗結果分析可知，FBG與F-P腔串聯復用傳感器可以消除溫度與應力的交叉敏感，能實現對監測點溫度與應力的高精度解調，同時由空分復用可實現多個監測點的同時測量。系統設計采用FPGA+NiosⅡ完成數據的采集與VB通信的處理。實驗結果表明，該系統性能可靠，準確的對溫度與應力實現實時監控，且運行穩定。而FPGA的預留I／O端口可作為擴展端口使用，以便實現更多監測點的測量。當實時性達到一定精度后，該方案就能滿足大型工程的應用需求，如在航空航天的衛星發射時，對其各子系統溫度與應力的實時動態監控；以及對大型機械廠房溫壓的實時動態監控等等。