目前光纖光柵解調系統主要有：(1)基于單片機的光纖光柵解調系統[1]，原理是用A/D實現對光電轉換信號的檢測和采集，用D/A實現對F-P的驅動電壓，利用單片機實現算法的運行，但運行速度慢，無法滿足速度和精度要求；(2)基于DSP+CPLD的光纖光柵解調系統[2]，該系統結合了DSP較好的信號處理能力和CPLD擴充I/O口來實現對外圍設備的控制等功能，但其接口類型單一，功能性不強。目前，國外高精度、高分辨率的光纖光柵傳感解調器已經研發成功，但價格昂貴，在工程應用中受到了限制。在國內，這方面的研究成果及實際應用都不是很完善，尤其缺乏高性能的分布式光纖光柵傳感解調系統。

    綜上所述，研究開發出一套高精度、能夠準確進行多點同時測量的低成本、高性能的FBG傳感解調系統十分必要。本文結合嵌入式技術[3-4]，提出一種基于ARM的光纖光柵傳感解調系統，以可靠性高、片上資源豐富的嵌入式微處理器ARM作為系統的核心部件，以從數據采集到分析處理到最終的顯示過程完全獨立運行的輸入/輸出設備為外圍設備。此外還提供豐富的接口類型，能夠滿足串口、USB通信的需要，使其在性能和功能應用方面更加完善，為解調系統實用化和產品化奠定了基礎。
1 FBG傳感機理及系統組成
    FBG是一種在光纖纖芯內介質折射率呈周期性調制的光纖無源器件[5]。當外界被測物理量作用在FBG上時，FBG反射回一個窄帶光波，其布拉格波長λB滿足：
    λB=2neff∧                           (1)
其中，neff為光纖纖芯的有效折射率；∧為光柵周期。
    外界溫度或應變的變化會影響光纖光柵的折射率調制周期和纖芯折射率，從而引起反射波長的變化，解調系統通過檢測這種偏移實現對外部環境的傳感，這是光纖光柵的基本工作原理。在FBG傳感檢測系統中，通常采用可調諧F-P濾波器來實現FBG反射光譜的解調，之后通過光電轉換將光譜信號轉換成電壓信號并經過數據采集、數據處理最終實現FBG反射譜中心波長的檢測[6-8]。FBG傳感系統如圖1所示。

    由光電檢測所得到的FBG反射譜信號首先通過ARM系統的A/D轉換模塊完成數據采集后進入濾波模塊，通過數字濾波程序對信號進行濾波以提高信號的信噪比；然后通過波峰檢測程序對波形進行峰值的粗略定位并在峰值點附近選取若干點進行擬合，從而得到擬合曲線的最大值，即中心波長的位置；最后將得到的峰值波長及其他相關的數據通過ARM系統的串口傳遞給計算機上的上位機軟件進行顯示。
    目前，中心波長的偏移量的測量精度應優于0.01 nm的量級[9]，這樣才能準確地檢測到溫度和應變等外界環境的變化。因此，在整個解調系統的實現中，濾波和尋峰等信號處理過程仍然是關鍵。傳統的信號處理方法雖然能實時準確地處理信號，但所需電路規模較大。而使用軟件系統相對簡單，可以實現系統集成并且有利于降低每個系統節點的成本。因此，本文選擇ARM嵌入式系統以及軟件編程來實現濾波和尋峰算法。
2.1 濾波算法及其實現
    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，FBG反射譜濾波處理經典方法有滑動平均濾波、中值濾波、中值平均濾波等，在ARM中嵌入濾波算法，能夠實時高效地對信號進行處理，無需人工干預即可自主運行，并且可以對軟件進行重復設計，以實現功能擴展。
    各濾波算法的性能可以通過下式來評價[10]：
  

    對上述3種算法濾波前后的細節進行對比，其中滑動平均濾波N=12，中值濾波N=11，中值平均濾波N=11時濾波效果最明顯。通過對三者進行對比分析可得，滑動平均濾波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，但對偶然出現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干擾，對因溫度、液位變化的被測參數有良好的濾波效果；中值平均濾波融合了兩種濾波算法的優點，消除了由脈沖干擾引起的采樣值偏差。
    綜合考慮，本系統選用中值平均濾波法對數據進行處理，光譜數據為(x1，x2，…，xn)，采樣窗口長度為N=11，其軟件實現的流程圖如圖6所示。

2.2 尋峰算法及其實現
    尋峰過程主要包括波峰檢測和擬合處理。光譜數據經濾波后，噪聲數據大部分被去除，但數據量大的問題依然存在。為了提高數據處理和系統運行速度，需要通過閾值設定對一些數據進行剔除，并通過譜峰粗定位確定每個中心波長的粗略區域。擬合處理的目的是求取反射譜準確的中心波長位置，這里采用高斯擬合法，其原理是對信號進行擬合處理，通過減小誤差達到尋峰的最佳位置。
    波峰檢測主要由閾值設定、譜峰粗定位兩部分構成。這里取閾值為光譜的半功率點，對小于該閾值的點進行剔除，同時對滿足閾值條件的點進行存儲，從而對數據進行優化。峰值粗定位主要是在每個分峰中通過比較確定峰值的粗略位置，在峰值兩側各取合適的數據，從而確定各點對應的坐標，為之后的擬合處理做好準備。
  
3 系統測試及結果
    系統選用三星公司的16/32位精簡指令集微處理器S3C2440A作為系統的硬件核心，以ARM920T為內核，主頻最高可達400 MHz，采用0.13 μm的CMOS標準宏單元和存儲單元，同時系統選用了μC/OS-II為嵌入式實時操作系統。在μC/OS-II操作系統上，將編寫調試好的各信號處理程序下載到系統中，完成系統解調功能。經ARM解調系統解調的信號通過串口輸入到PC，并通過LabVIEW編寫的上位機軟件顯示系統運行結果，界面如圖7所示。界面主要分為數據采集區和信號解調區兩部分。數據采集區主要顯示采集的原始數據波形、濾波后的波形及濾波前后的數據波形對比；信號解調區主要實現信號尋峰擬合后的波形、中心波長解調及對比分析結果。

    在系統實現的基礎上，完成了系統的相關測試工作。由于光纖光柵的中心波長隨溫度的變化而變化，為了測試工作的便捷性及準確性，根據光纖光柵反射譜信號的特征，本文利用虛擬儀器LabVIEW軟件和數據采集卡來產生模擬的光柵反射譜測試信號。
    實驗測試中，在波長1 524～1 540 nm范圍內產生了中心波長為1 526.078 nm、1 530.526 nm、1 534.921 nm、1 537.066 nm的4個峰的反射譜信號，并在反射譜中加入固有干涉噪聲和適當的高斯白噪聲。反射譜信號如圖8所示。

    解調系統運行結果分析如下：
    (1)噪聲：采集的原始波形中含有很多噪聲，除FBG仿真信號加入的干涉噪聲和高斯白噪聲外，還有電路連接中產生的噪聲。從濾波前后的波形對比可以看出，噪聲的影響得到了有效的抑制，說明濾波效果良好。
    (2)信號解調區：經過采集和濾波后的數據進入解調系統進行波峰檢測、擬合算法等流程。為了驗證系統的可靠性，通過多次運行來計算系統誤差，并取4組數據與反射譜的4個中心波長1 526.078 nm、1 530.526 nm、1 534.921 nm、1 537.066 nm進行對比，如表1所示?？梢钥闯觯到y誤差在±10 pm左右，達到了尋峰的預期仿真結果。

    本文采用了基于ARM的FBG信號解調系統，通過對整個系統的搭建以及軟硬件的聯合完成了整個系統的調試。實驗結果表明，在保證系統解調精度和速度的前提下，基于ARM的FBG傳感信號解調系統實現了對采集數據的實時處理，成功解調出FBG傳感信號，與理論仿真分析結果相吻合，系統運行穩定，能夠實現解調系統的小型化和實時性。但設計仍有不盡完善之處，下一步要優化算法的性能，并用ARM自帶的LCD控制器來直觀地動態顯示解調數據波形圖，為解調系統的實用化奠定基礎。
參考文獻
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