CN114383640A - 一种分布式光纤布拉格光栅传感器测控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式光纤布拉格光栅传感器测控系统。FPGA经超辐射发光二极管驱动电路和超辐射发光二极管连接，同时FPGA经制冷片驱动电路和半导体制冷片连接，FPGA经制冷片驱动电路和半导体制冷片连接，两个半导体制冷片布置在超辐射发光二极管和阵列波导光栅解调芯片上，阵列波导光栅解调芯片经低噪声电流电压转换电路和FPGA连接；超辐射发光二极管发光照到分布式光纤布拉格光栅传感器反射回光信号进入阵列波导光栅解调芯片。本发明通过更改跨阻放大器的电流/电压的转换增益提高信噪比，通过FPGA差分管脚实现电压信号的采集，不借助外部的电压转换芯片，降低电路应用复杂度，实现提高相邻通道光功率比值的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及一种光栅测控系统，尤其是面向分布式光纤传感的光子集成解调仪领域的一种分布式布拉格光纤光栅测控系统。
背景技术
光纤布拉格光栅(FBG)传感器相比传统的电子传感器在紧凑性、抗电磁干扰性、抗恶劣环境和多路复用功能方面具有许多优势。光纤布拉格光栅的设计和制备已经相对比较成熟，限制光纤光栅传感器进一步广泛应用的主要问题是传感信号的解调。目前的工程应用中，传统的光纤光栅解调仪普遍存在着体积较大、成本较高等缺点，严重限制了其推广应用，例如把光纤光栅放入织物内部对人体温、心跳、呼吸的各项生理指标进行评测或者在航空航天和振动强烈的恶劣环境应用领域，非常需要小体积、高可靠性的微型化解调设备。
近几年，硅基光子学发展迅速，大部分单元器件已经达到了商用化水平，利用硅光平台设计和制作基于阵列波导光栅(AWG)的光纤布拉格光栅解调仪将具有非常重要的意义。基于阵列波导光栅(AWG)的解调法不仅结构简单，可以检测动态、静态信号，而且还有解调精度高、解调速度快等特点，是一种非常适用于微型化光子集成的解调方案。结合III-V族材料在有源器件(光源和探测器)方面优异的性能和硅基材料在无源器件(波导、阵列波导光栅AWG、MMI等)制作上小尺寸、低损耗的特点，利用III-V/Si混合集成技术，结合外围的信号采集处理电路，将光纤布拉格光栅解调仪的分立器件进行一个芯片级集成。
发明内容
为了解决基于阵列波导光栅的光纤光栅解调芯片在动态环境下相邻通道输出光功率差异较大，噪声带来的功率波动对相邻通道功率比值影响显著的问题，本发明提供一种基于低噪声电流/电压转换电路和FPGA主控芯片的分布式光纤布拉格光栅传感器测控系统，提高相邻通道光功率比值的准确度，并实现一种混合片上集成的光纤光栅解调系统。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种分布式光纤布拉格光栅传感器测控系统：
系统包括光纤布拉格光栅、环形器、阵列波导光栅解调芯片、两个半导体制冷片、制冷片驱动电路、低噪声电流电压转换电路、FPGA、超辐射发光二极管和超辐射发光二极管驱动电路；FPGA经超辐射发光二极管驱动电路和超辐射发光二极管连接，同时FPGA经一个制冷片驱动电路和第一半导体制冷片连接，第一半导体制冷片布置在超辐射发光二极管上；FPGA经另一个制冷片驱动电路和第二半导体制冷片连接，第二半导体制冷片布置在阵列波导光栅解调芯片上，阵列波导光栅解调芯片经低噪声电流电压转换电路和FPGA连接；所述的超辐射发光二极管发出光经过环形器照射给分布式光纤布拉格光栅传感器，分布式光纤布拉格光栅传感器将光反射回环形器，然后反射回光信号进入阵列波导光栅解调芯片。
所述的分布式光纤布拉格光栅传感器是由多个光纤布拉格光栅传感器构成。
所述的FPGA经超辐射发光二极管驱动电路控制超辐射发光二极管产生一个波长固定的激光，激光照射到光纤布拉格光栅传感器上后反射回光信号输入阵列波导光栅解调芯片，阵列波导光栅解调芯片的输出信号经过低噪声电流/电压转换电路输入到FPGA，由FPGA采集电压值，计算出对应的阵列波导光栅解调芯片的输出通道电流，获取到光解调数据。
所述的FPGA作为主控芯片，利用PID算法通过控制制冷片驱动的驱动能力，控制两个半导体制冷片的制冷能力，使得超辐射发光二极管和阵列波导光栅解调芯片工作在各自的最佳环境温度下。
所述的阵列波导光栅解调芯片包括多个光电探测器；
所述的低噪声电流/电压转换电路包括多选一模拟开关芯片、低噪运算放大器、三个不同阻值的跨接电阻、三选一模拟开关芯片；
阵列波导光栅解调芯片中的各个通道均对应设置一个光电探测器，各个光电探测器的正极接地，各个光电探测器的负极经多选一模拟开关芯片和低噪运算放大器的反相输入端连接，低噪运算放大器的正相输入端和参考电压连接，三个跨接电阻的一端连接到低噪运算放大器的反相输入端，三个跨接电阻的另一端经三选一模拟开关芯片和低噪运算放大器的正相输入端连接，低噪运算放大器的正相输入端连接到FPGA的差分接口正端，FPGA的差分接口负端经一个电阻和FPGA的输出端连接，同时FPGA的差分接口负端经一个电容接地。
三个跨接电阻的阻值不同，通过三选一模拟开关芯片选通不同的跨接电阻来调节经过低噪运算放大器所进行放大的增益。
还包括USB3.0芯片，FPGA和USB3.0芯片连接，将FPGA的输出数据经过SLAVE FIFO模式发送给USB3.0芯片，通过USB3.0芯片将数据发送到外部的上位机。
二、一种分布式布拉格管光栅测控方法：
所述的FPGA通过差分接口正端接收来自低噪运算放大器放大后的电压，同时通过差分接口负端接收来自接地电容的电压，将两种电压进行比较，若低噪运算放大器放大后的电压大于接地电容的电压，则从输出端口输出高电平的脉冲，并以50Mhz为周期，经过4096个周期统计从输出端口输出高电平的脉冲总数N，再按照以下公式计算待测电压作为阵列波导光栅解调芯片的光强信号的表征：
V＝N/4096*v
其中，V表示待测电压，v表示高电平的电压。
光纤布拉格光栅传感器受到到应变导致光栅中心波长的变化，波长信息被传入解调芯片解调，通过测控电路和算法反推出这个中心波长的变化量，进而得出光纤布拉格光栅传感器的应变状态。
本发明具有以下有益效果：
1.使用FPGA进行针对电流信号强弱的自适应调节通过更改跨阻放大器的电流/电压的转换增益，从而提高信噪比，并通过FPGA差分管脚实现电压信号的采集，不需要借助外部的电压转换芯片，降低电路应用复杂度；
2.本发明利用FPGA的并行处理能力，实现两路温度测量及PID数字温控，通过跨阻放大器的选通，实现八通道的阵列波导光栅AWG的信号获取，并通过解调运算，实现提高相邻通道光功率比值的准确度，由usb3.0芯片进行数据传输，能够满足高带宽数据传输的应用；
目前光纤布拉格光栅测控系统的波长解调部分由分立器件组装而成，体积庞大、可靠性差、成本昂贵，而本发明的测控系统的波长解调部分尺寸小、功耗小、可靠性高。
因此本发明能结合阵列波导光栅，基于低噪声电流/电压转换电路和FPGA主控芯片的分布式光纤布拉格光栅传感器测控系统，提高相邻通道光功率比值的准确度，并实现一种混合片上集成的光纤光栅解调系统。
附图说明
图1为本发明的分布式光纤布拉格光栅传感器测控系统框图；
图2为本发明的低噪声电流/电压转换跨阻放大切换及FPGA差分引脚实现电压读取电路；
图3为本发明的FPGA差分引脚实现电压读取的工作原理；
图4为本发明的FPGA差分引脚实现电压读取电路的SIMULINK仿真波形显示实现1.5V的电压采集效果；
图5为本发明的FPGA差分引脚实现电压读取电路的差分引脚正端和负端的信号仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。
如图1所示，系统包括光纤布拉格光栅、环形器、阵列波导光栅解调芯片、两个半导体制冷片、制冷片驱动电路、低噪声电流电压转换电路、FPGA、超辐射发光二极管和超辐射发光二极管驱动电路；FPGA经超辐射发光二极管驱动电路和超辐射发光二极管连接，同时FPGA经一个制冷片驱动电路和第一半导体制冷片连接，第一半导体制冷片布置在超辐射发光二极管上；FPGA经另一个制冷片驱动电路和第二半导体制冷片连接，第二半导体制冷片布置在阵列波导光栅解调芯片上，阵列波导光栅解调芯片经低噪声电流电压转换电路和FPGA连接；超辐射发光二极管发出光照射到分布式光纤布拉格光栅传感器上，然后反射回特定波长的光信号进入阵列波导光栅解调芯片。
分布式光纤布拉格光栅传感器是由多个光纤布拉格光栅传感器构成。
FPGA经超辐射发光二极管驱动电路控制超辐射发光二极管产生一个宽谱波长的激光，激光为宽谱光，激光经过环形器照射到光纤布拉格光栅传感器上后反射回特定波长的光信号输入阵列波导光栅解调芯片，阵列波导光栅解调芯片的输出信号经过低噪声电流/电压转换电路输入到FPGA，由FPGA采集电压值，计算出对应的阵列波导光栅解调芯片的输出通道电流，获取到阵列波导光栅解调芯片各路输出通道的光解调数据，即对应分布式光纤布拉格光栅传感器中的各个光纤布拉格光栅传感器的波长。
FPGA作为主控芯片，利用PID算法通过控制制冷片驱动的驱动能力，控制两个半导体制冷片的制冷能力，使得超辐射发光二极管和阵列波导光栅解调芯片工作在各自的最佳环境温度下。同时超辐射发光二极管的电流强度也通过PID算法进行驱动，使得超辐射发光二极管发出恒定功率的光强信息；
如图2所示，
阵列波导光栅解调芯片包括多个光电探测器；
低噪声电流/电压转换电路包括多选一模拟开关芯片、低噪运算放大器、三个不同阻值的跨接电阻、三选一模拟开关芯片；
阵列波导光栅解调芯片中的各个通道均对应设置一个光电探测器，各个光电探测器的正极接地，各个光电探测器的负极经多选一模拟开关芯片和低噪运算放大器的反相输入端连接，低噪运算放大器的正相输入端和参考电压连接，三个跨接电阻的一端连接到低噪运算放大器的反相输入端，三个跨接电阻的另一端经三选一模拟开关芯片和低噪运算放大器的正相输入端连接，低噪运算放大器的正相输入端连接到FPGA的差分接口正端，FPGA的差分接口负端经一个电阻和FPGA的输出端连接，同时FPGA的差分接口负端经一个电容接地。
超辐射发光二极管发出光照射到分布式光纤布拉格光栅传感器中的各个光纤布拉格光栅传感器上，经不同的光纤布拉格光栅传感器反射经过产生不同的波长光，不同的波长光合束后照射到阵列波导光栅解调芯片的各个光电探测器上，经不同的光电探测器选通选择不同波长的光信号进行解调后输入到低噪声电流/电压转换电路中。
具体是由FPGA实现八选一模拟开关芯片和三选一模拟开关芯片的通道选择，轮询读取阵列波导光栅解调芯片各路的光电探测器输出包含光强信息的电信号，光电探测器感应光强后产生与光强成正比的电流信号发送到低噪声电流/电压转换电路，电流信号通过低噪声电流/电压转换电路中的跨阻放大器转换为电压信号。
三个跨接电阻的阻值不同，通过三选一模拟开关芯片选通不同的跨接电阻来调节经过低噪运算放大器所进行放大的增益。
放大器的负输入端与输出端上面跨接的三个电阻由三选一模拟开关芯片进行动态切换，若光强过小，则FPGA通过改变电阻的选通，改变跨接电阻的阻值大小，提高电流/电压的转换增益，从而提高信噪比。
具体实施中，阵列波导光栅解调芯片具有八个输出通道，多选一模拟开关芯片采用八选一模拟开关芯片。
具体实施还包括USB3.0芯片，FPGA和USB3.0芯片连接，将FPGA的输出数据经过SLAVE FIFO模式发送给USB3.0芯片，通过USB3.0芯片将数据发送到外部的上位机。
FPGA计算出对应的阵列波导光栅解调芯片的输出通道电流，将数据经过SLAVEFIFO模式发送给USB3.0芯片，从而获取到各路的光解调数据。
本发明的实施例如下：
如图3所示，FPGA通过差分接口正端接收来自低噪运算放大器放大后的电压，同时通过差分接口负端接收来自接地电容的电压，将两种电压进行比较，若低噪运算放大器放大后的电压大于接地电容的电压，则从输出端口输出高电平的脉冲，具体实施的高电平为3.3V，并以50Mhz为周期，经过4096个周期统计从输出端口输出高电平的脉冲总数N，再按照以下公式计算待测电压作为阵列波导光栅解调芯片的光强信号的表征：
V＝N/4096*v
其中，V表示待测电压，v表示高电平的电压。
如图4所示，以待测电压1.5V为例，12bit的计数器从0开始计数，计数到4096后，将计数值清0，重复进行计数，在4096个计数周期内，FPGA内部对输出管脚的高电平个数进行累加计数后换算测得电压信息。
如图5所示，FPGA的输出管脚为高低电平不一的PWM波，经过低通滤波器后，得到平滑的波形，待波形稳定后，电压值稳定在1.5V，达到电压测量的效果；
这样处理后，通过使用FPGA的差分端口实现电压信号读取，不需要使用额外的AD芯片，实现阵列波导光栅解调芯片的光强信号(即光功率)检测获取。
光纤布拉格光栅传感器受到到应变会导致光栅中心波长的变化，波长信息被传入解调芯片解调，通过测控电路和算法可以反推出这个中心波长的变化量，进而得出光纤布拉格光栅传感器的应变状态。
Claims (8)
1.一种分布式光纤布拉格光栅传感器测控系统，其特征在于：
包括光纤布拉格光栅、环形器、阵列波导光栅解调芯片、两个半导体制冷片、制冷片驱动电路、低噪声电流电压转换电路、FPGA、超辐射发光二极管和超辐射发光二极管驱动电路；FPGA经超辐射发光二极管驱动电路和超辐射发光二极管连接，同时FPGA经一个制冷片驱动电路和第一半导体制冷片连接，第一半导体制冷片布置在超辐射发光二极管上；FPGA经另一个制冷片驱动电路和第二半导体制冷片连接，第二半导体制冷片布置在阵列波导光栅解调芯片上，阵列波导光栅解调芯片经低噪声电流电压转换电路和FPGA连接；所述的超辐射发光二极管发出光经过环形器照射给分布式光纤布拉格光栅传感器，分布式光纤布拉格光栅传感器将光反射回环形器，然后反射回光信号进入阵列波导光栅解调芯片。
2.根据权利要求1所述的一种分布式布拉格管光栅测控系统，其特征在于：
所述的分布式光纤布拉格光栅传感器是由多个光纤布拉格光栅传感器构成。
3.根据权利要求1所述的一种分布式布拉格管光栅测控系统，其特征在于：
所述的FPGA经超辐射发光二极管驱动电路控制超辐射发光二极管产生一个波长固定的激光，激光照射到光纤布拉格光栅传感器上后反射回光信号输入阵列波导光栅解调芯片，阵列波导光栅解调芯片的输出信号经过低噪声电流/电压转换电路输入到FPGA，由FPGA采集电压值，计算出对应的阵列波导光栅解调芯片的输出通道电流，获取到光解调数据。
4.根据权利要求1所述的一种分布式布拉格管光栅测控系统，其特征在于：
所述的FPGA作为主控芯片，利用PID算法通过控制制冷片驱动的驱动能力，控制两个半导体制冷片的制冷能力，使得超辐射发光二极管和阵列波导光栅解调芯片工作在各自的最佳环境温度下。
5.根据权利要求1所述的一种分布式布拉格管光栅测控系统，其特征在于：
所述的阵列波导光栅解调芯片包括多个光电探测器；
所述的低噪声电流/电压转换电路包括多选一模拟开关芯片、低噪运算放大器、三个不同阻值的跨接电阻、三选一模拟开关芯片；
阵列波导光栅解调芯片中的各个通道均对应设置一个光电探测器，各个光电探测器的正极接地，各个光电探测器的负极经多选一模拟开关芯片和低噪运算放大器的反相输入端连接，低噪运算放大器的正相输入端和参考电压连接，三个跨接电阻的一端连接到低噪运算放大器的反相输入端，三个跨接电阻的另一端经三选一模拟开关芯片和低噪运算放大器的正相输入端连接，低噪运算放大器的正相输入端连接到FPGA的差分接口正端，FPGA的差分接口负端经一个电阻和FPGA的输出端连接，同时FPGA的差分接口负端经一个电容接地。
6.根据权利要求1所述的一种分布式布拉格管光栅测控系统，其特征在于：
三个跨接电阻的阻值不同，通过三选一模拟开关芯片选通不同的跨接电阻来调节经过低噪运算放大器所进行放大的增益。
7.根据权利要求1所述的一种分布式布拉格管光栅测控系统，其特征在于：
还包括USB3.0芯片，FPGA和USB3.0芯片连接，将FPGA的输出数据经过SLAVE FIFO模式发送给USB3.0芯片，通过USB3.0芯片将数据发送到外部的上位机。
8.应用于权利要求1分布式布拉格管光栅测控系统的一种分布式布拉格管光栅测控方法，其特征在于：
所述的FPGA通过差分接口正端接收来自低噪运算放大器放大后的电压，同时通过差分接口负端接收来自接地电容的电压，将两种电压进行比较，若低噪运算放大器放大后的电压大于接地电容的电压，则从输出端口输出高电平的脉冲，并以50Mhz为周期，经过4096个周期统计从输出端口输出高电平的脉冲总数N，再按照以下公式计算待测电压作为阵列波导光栅解调芯片的光强信号的表征：
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