基于DSP系统的光纤Bragg光栅解调系统的研究.doc

基于DSP系统的光纤Bragg光栅解调系统的研究罗铁亮高雪清等摘要：本文详细阐述了在特定条件下利用可调谐法布里-珀罗腔建立的Ｆ-Ｐ腔解调系统模型和通过检测Ｆ-Ｐ腔的相关参数而得到所测的参变量。在此基础上笔者设计了采用DSP系统的光纤光栅传感器的解调器其中DSP系统由AT89C52和TMS320C5402组成其软硬件设计在文中均有着详细的阐述。关键词:光纤Bragg光栅；法布里-珀罗腔；AT89C52；TMS320C5402；DSP系统中图分类号：TP212.14文献标识码：A一、引言光纤Bragg光栅传感器是利用光纤Bragg光栅受温度和应变的作用时反射波长发生偏移的机理而制成的新型光纤传感器由于其自身所具有的独特特点Bragg光栅传感器特别适合于大坝、桥梁的监测以及各种蒙皮结构的检测。自1989年光栅成栅技术取得重大突破以来众多国家特别是欧美等发达国家投入了大量的财力和物力用于光纤Bragg光栅的研制和应用研究。目前对Bragg光栅反射波长的解调方法主要有二种其是是应用传统的光谱仪但由于光谱仪本身的因素限制了Bragg光栅应用的进一步发展；其二是用单片机控制的Bragg光栅解调系统它在一定程度加速了光纤光栅传感器的应用但是单片机的速度还不能完全满足高速信号的解调。鉴于此问题本文提出了采用高速DSP系统设计解调器的新方案。该方案不但能解调高速的小信号而且可以利用其本身的优势对信号进行降噪处理这在很多系统中是很有应用价值的。二、光纤Bragg光栅传感原理光纤光栅的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期Λ和反向耦合模的有效折射率neff任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起反射或透射波长的漂移即有：λB=2neff·Λ（1）光纤Bragg光栅传感技术是通过对在光纤内部写入的光栅反射或透射波长光谱的检测实现对被测结构的应变和温度量值的绝对测量的其传感原理如图1所示。三、可调谐F-P腔滤波器的工作原理F-P腔可以看作一个窄带滤波器在一定波长范围内若以平行光入射到F-P腔则只有满足相干条件的某些特定波长的光才能发生干涉利用F-P腔的这个特性可以对FBG传感器的反射波长进行检测。可调谐F-P腔(调谐腔长)解调的原理如图2所示。从LED发出的光经隔离器传送到FBG传感器FBG传感器反射回的光经过一个3dB耦合器引入到可调谐F-P腔图3为F-P空腔模型。从光纤入射的光经自聚焦透镜L1变成平行光入射到F-P腔出射光经自聚焦透镜L2汇聚到探测器上。构成F-P腔的两个高反射镜中的一个固定另一个可在外力的作用下移动其背面贴有一个压电陶瓷PZT。由于压电陶瓷具有很好的电能—机械能转换特性在外加电动势的作用下可产生形变因此可用PZT作为F-P腔腔长变化的驱动元件。给压电陶瓷施加一个扫描电压压电陶瓷产生伸缩从而改变F-P腔的腔长使透过F-P腔的光的波长发生改变。由以上分析可知若F-P腔的透射波长与FBG的反射波长重合则探测器能探测到最大光强此时给压电陶瓷施加的电压Ｖ就对应着FBG的反射波长。通过检测透射光强即可得到反射波波长进而得到所测参变量。四、基于DSP系统的光纤Bragg光栅解调系统在光纤光栅传感解调系统中法布里腔由电压驱动给其两端加以不同的电压下法布里腔的腔长将有所改变而其透射光谱也会发生相应的变化这个透射谱宽与光纤光栅反射峰的谱宽一致或相比差不多。也就是说正是根据驱动电压变化时法布里腔的透射波长会有着相应的变化这一特点我们建立了电压驱动可调法布里腔来作为可调谐带通滤波器的解调系统。1、系统的硬件设计光纤Bragg光栅解调系统的硬件原理框图如图4所示：（1）DSP系统的组成考虑到TMS320C5402具有强大的数据运算和处理功能但其逻辑控制功能较差；而AT89C52具有较多的通用I/O口比较适合逻辑控制但其数据运算和处理功能较差。将其二者结合起来可以弥补双方的不足充分发挥双方优点。本系统主处理器采用美国AMTEL的AT89C52该芯片内有8K的FLASHROM并可在线修改编程利用其可完成数据采集数据输出人机对话和与上位微通信的功能。协处理器则采用美国TI公司的TMS320VC5402芯片它有高达100MHz的主时钟指令周期最小可达10ns并且其本身具有面向信号处理的专用指令因此可以完成对信号高速处理和复杂的运算并可进行实时降噪处理。当前对Bragg光栅的解调算法还没有统一的可用公式一般是通过实验的方法测出一组典型数据用程序来进行插值算法或曲线拟合算法来计算出被测量。无论是插值算法还是曲线拟合算法要得到较高的精度都必须进