目前光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)主要有：(1)基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)[1]，原理是用A/D實(shí)現(xiàn)對(duì)光電轉(zhuǎn)換信號(hào)的檢測(cè)和采集，用D/A實(shí)現(xiàn)對(duì)F-P的驅(qū)動(dòng)電壓，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)算法的運(yùn)行，但運(yùn)行速度慢，無(wú)法滿(mǎn)足速度和精度要求；(2)基于DSP+CPLD的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)[2]，該系統(tǒng)結(jié)合了DSP較好的信號(hào)處理能力和CPLD擴(kuò)充I/O口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍設(shè)備的控制等功能，但其接口類(lèi)型單一，功能性不強(qiáng)。目前，國(guó)外高精度、高分辨率的光纖光柵傳感解調(diào)器已經(jīng)研發(fā)成功，但價(jià)格昂貴，在工程應(yīng)用中受到了限制。在國(guó)內(nèi)，這方面的研究成果及實(shí)際應(yīng)用都不是很完善，尤其缺乏高性能的分布式光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)。

    綜上所述，研究開(kāi)發(fā)出一套高精度、能夠準(zhǔn)確進(jìn)行多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量的低成本、高性能的FBG傳感解調(diào)系統(tǒng)十分必要。本文結(jié)合嵌入式技術(shù)[3-4]，提出一種基于ARM的光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，以可靠性高、片上資源豐富的嵌入式微處理器ARM作為系統(tǒng)的核心部件，以從數(shù)據(jù)采集到分析處理到最終的顯示過(guò)程完全獨(dú)立運(yùn)行的輸入/輸出設(shè)備為外圍設(shè)備。此外還提供豐富的接口類(lèi)型，能夠滿(mǎn)足串口、USB通信的需要，使其在性能和功能應(yīng)用方面更加完善，為解調(diào)系統(tǒng)實(shí)用化和產(chǎn)品化奠定了基礎(chǔ)。
1 FBG傳感機(jī)理及系統(tǒng)組成
    FBG是一種在光纖纖芯內(nèi)介質(zhì)折射率呈周期性調(diào)制的光纖無(wú)源器件[5]。當(dāng)外界被測(cè)物理量作用在FBG上時(shí)，F(xiàn)BG反射回一個(gè)窄帶光波，其布拉格波長(zhǎng)λB滿(mǎn)足：
    λB=2neff∧                           (1)
其中，neff為光纖纖芯的有效折射率；∧為光柵周期。
    外界溫度或應(yīng)變的變化會(huì)影響光纖光柵的折射率調(diào)制周期和纖芯折射率，從而引起反射波長(zhǎng)的變化，解調(diào)系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)這種偏移實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境的傳感，這是光纖光柵的基本工作原理。在FBG傳感檢測(cè)系統(tǒng)中，通常采用可調(diào)諧F-P濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)FBG反射光譜的解調(diào)，之后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將光譜信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理最終實(shí)現(xiàn)FBG反射譜中心波長(zhǎng)的檢測(cè)[6-8]。FBG傳感系統(tǒng)如圖1所示。

    由光電檢測(cè)所得到的FBG反射譜信號(hào)首先通過(guò)ARM系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換模塊完成數(shù)據(jù)采集后進(jìn)入濾波模塊，通過(guò)數(shù)字濾波程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行濾波以提高信號(hào)的信噪比；然后通過(guò)波峰檢測(cè)程序?qū)Σㄐ芜M(jìn)行峰值的粗略定位并在峰值點(diǎn)附近選取若干點(diǎn)進(jìn)行擬合，從而得到擬合曲線(xiàn)的最大值，即中心波長(zhǎng)的位置；最后將得到的峰值波長(zhǎng)及其他相關(guān)的數(shù)據(jù)通過(guò)ARM系統(tǒng)的串口傳遞給計(jì)算機(jī)上的上位機(jī)軟件進(jìn)行顯示。
    目前，中心波長(zhǎng)的偏移量的測(cè)量精度應(yīng)優(yōu)于0.01 nm的量級(jí)[9]，這樣才能準(zhǔn)確地檢測(cè)到溫度和應(yīng)變等外界環(huán)境的變化。因此，在整個(gè)解調(diào)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，濾波和尋峰等信號(hào)處理過(guò)程仍然是關(guān)鍵。傳統(tǒng)的信號(hào)處理方法雖然能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地處理信號(hào)，但所需電路規(guī)模較大。而使用軟件系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成并且有利于降低每個(gè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的成本。因此，本文選擇ARM嵌入式系統(tǒng)以及軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波和尋峰算法。
2.1 濾波算法及其實(shí)現(xiàn)
    濾波的主要目的是盡可能地去除反射譜中的各種噪聲信號(hào)，F(xiàn)BG反射譜濾波處理經(jīng)典方法有滑動(dòng)平均濾波、中值濾波、中值平均濾波等，在ARM中嵌入濾波算法，能夠?qū)崟r(shí)高效地對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，無(wú)需人工干預(yù)即可自主運(yùn)行，并且可以對(duì)軟件進(jìn)行重復(fù)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。
    各濾波算法的性能可以通過(guò)下式來(lái)評(píng)價(jià)[10]：
  

    對(duì)上述3種算法濾波前后的細(xì)節(jié)進(jìn)行對(duì)比，其中滑動(dòng)平均濾波N=12，中值濾波N=11，中值平均濾波N=11時(shí)濾波效果最明顯。通過(guò)對(duì)三者進(jìn)行對(duì)比分析可得，滑動(dòng)平均濾波SNR′=16.44，MSE′=3.634；中值濾波SNR′=16.065，MSE′=3.793；中值平均濾波SNR′=16.383，MSE′=3.656。
    滑動(dòng)平均濾波能較好地抑制周期性干擾，平滑度高，適合于高頻振蕩系統(tǒng)，但對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖干擾抑制效果較差；中值濾波能有效克服因偶然因素引起的波動(dòng)干擾，對(duì)因溫度、液位變化的被測(cè)參數(shù)有良好的濾波效果；中值平均濾波融合了兩種濾波算法的優(yōu)點(diǎn)，消除了由脈沖干擾引起的采樣值偏差。
    綜合考慮，本系統(tǒng)選用中值平均濾波法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，光譜數(shù)據(jù)為(x1，x2，…，xn)，采樣窗口長(zhǎng)度為N=11，其軟件實(shí)現(xiàn)的流程圖如圖6所示。

2.2 尋峰算法及其實(shí)現(xiàn)
    尋峰過(guò)程主要包括波峰檢測(cè)和擬合處理。光譜數(shù)據(jù)經(jīng)濾波后，噪聲數(shù)據(jù)大部分被去除，但數(shù)據(jù)量大的問(wèn)題依然存在。為了提高數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)運(yùn)行速度，需要通過(guò)閾值設(shè)定對(duì)一些數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，并通過(guò)譜峰粗定位確定每個(gè)中心波長(zhǎng)的粗略區(qū)域。擬合處理的目的是求取反射譜準(zhǔn)確的中心波長(zhǎng)位置，這里采用高斯擬合法，其原理是對(duì)信號(hào)進(jìn)行擬合處理，通過(guò)減小誤差達(dá)到尋峰的最佳位置。
    波峰檢測(cè)主要由閾值設(shè)定、譜峰粗定位兩部分構(gòu)成。這里取閾值為光譜的半功率點(diǎn)，對(duì)小于該閾值的點(diǎn)進(jìn)行剔除，同時(shí)對(duì)滿(mǎn)足閾值條件的點(diǎn)進(jìn)行存儲(chǔ)，從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。峰值粗定位主要是在每個(gè)分峰中通過(guò)比較確定峰值的粗略位置，在峰值兩側(cè)各取合適的數(shù)據(jù)，從而確定各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，為之后的擬合處理做好準(zhǔn)備。
  
3 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果
    系統(tǒng)選用三星公司的16/32位精簡(jiǎn)指令集微處理器S3C2440A作為系統(tǒng)的硬件核心，以ARM920T為內(nèi)核，主頻最高可達(dá)400 MHz，采用0.13 μm的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)單元，同時(shí)系統(tǒng)選用了μC/OS-II為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。在μC/OS-II操作系統(tǒng)上，將編寫(xiě)調(diào)試好的各信號(hào)處理程序下載到系統(tǒng)中，完成系統(tǒng)解調(diào)功能。經(jīng)ARM解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)的信號(hào)通過(guò)串口輸入到PC，并通過(guò)LabVIEW編寫(xiě)的上位機(jī)軟件顯示系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果，界面如圖7所示。界面主要分為數(shù)據(jù)采集區(qū)和信號(hào)解調(diào)區(qū)兩部分。數(shù)據(jù)采集區(qū)主要顯示采集的原始數(shù)據(jù)波形、濾波后的波形及濾波前后的數(shù)據(jù)波形對(duì)比；信號(hào)解調(diào)區(qū)主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)尋峰擬合后的波形、中心波長(zhǎng)解調(diào)及對(duì)比分析結(jié)果。

    在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，完成了系統(tǒng)的相關(guān)測(cè)試工作。由于光纖光柵的中心波長(zhǎng)隨溫度的變化而變化，為了測(cè)試工作的便捷性及準(zhǔn)確性，根據(jù)光纖光柵反射譜信號(hào)的特征，本文利用虛擬儀器LabVIEW軟件和數(shù)據(jù)采集卡來(lái)產(chǎn)生模擬的光柵反射譜測(cè)試信號(hào)。
    實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，在波長(zhǎng)1 524～1 540 nm范圍內(nèi)產(chǎn)生了中心波長(zhǎng)為1 526.078 nm、1 530.526 nm、1 534.921 nm、1 537.066 nm的4個(gè)峰的反射譜信號(hào)，并在反射譜中加入固有干涉噪聲和適當(dāng)?shù)母咚拱自肼?。反射譜信號(hào)如圖8所示。

    解調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果分析如下：
    (1)噪聲：采集的原始波形中含有很多噪聲，除FBG仿真信號(hào)加入的干涉噪聲和高斯白噪聲外，還有電路連接中產(chǎn)生的噪聲。從濾波前后的波形對(duì)比可以看出，噪聲的影響得到了有效的抑制，說(shuō)明濾波效果良好。
    (2)信號(hào)解調(diào)區(qū)：經(jīng)過(guò)采集和濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)入解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行波峰檢測(cè)、擬合算法等流程。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，通過(guò)多次運(yùn)行來(lái)計(jì)算系統(tǒng)誤差，并取4組數(shù)據(jù)與反射譜的4個(gè)中心波長(zhǎng)1 526.078 nm、1 530.526 nm、1 534.921 nm、1 537.066 nm進(jìn)行對(duì)比，如表1所示?？梢钥闯?，系統(tǒng)誤差在±10 pm左右，達(dá)到了尋峰的預(yù)期仿真結(jié)果。

    本文采用了基于ARM的FBG信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的搭建以及軟硬件的聯(lián)合完成了整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在保證系統(tǒng)解調(diào)精度和速度的前提下，基于ARM的FBG傳感信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，成功解調(diào)出FBG傳感信號(hào)，與理論仿真分析結(jié)果相吻合，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)解調(diào)系統(tǒng)的小型化和實(shí)時(shí)性。但設(shè)計(jì)仍有不盡完善之處，下一步要優(yōu)化算法的性能，并用ARM自帶的LCD控制器來(lái)直觀地動(dòng)態(tài)顯示解調(diào)數(shù)據(jù)波形圖，為解調(diào)系統(tǒng)的實(shí)用化奠定基礎(chǔ)。
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