何玉鈞，盧 丹，尹成群，胡立章

（華北電力大學(xué) 電子與通信工程系，河北 保定 071003）

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)對光電轉(zhuǎn)換信號的檢測和采集，用D/A實(shí)現(xiàn)對F-P的驅(qū)動電壓，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)算法的運(yùn)行，但運(yùn)行速度慢，無法滿足速度和精度要求；(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較好的信號處理能力和CPLD擴(kuò)充I/O口來實(shí)現(xiàn)對外圍設(shè)備的控制等功能，但其接口類型單一，功能性不強(qiáng)。目前，國外高精度、高分辨率的光纖光柵傳感解調(diào)器已經(jīng)研發(fā)成功，但價格昂貴，在工程應(yīng)用中受到了限制。在國內(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，研究開發(fā)出一套高精度、能夠準(zhǔn)確進(jìn)行多點(diǎn)同時測量的低成本、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型，能夠滿足串口、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)制的光纖無源器件[5]。當(dāng)外界被測物理量作用在FBG上時，F(xiàn)BG反射回一個窄帶光波，其布拉格波長λB滿足：

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，從而引起反射波長的變化，解調(diào)系統(tǒng)通過檢測這種偏移實(shí)現(xiàn)對外部環(huán)境的傳感，這是光纖光柵的基本工作原理。在FBG傳感檢測系統(tǒng)中，通常采用可調(diào)諧F-P濾波器來實(shí)現(xiàn)FBG反射光譜的解調(diào)，之后通過光電轉(zhuǎn)換將光譜信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理最終實(shí)現(xiàn)FBG反射譜中心波長的檢測[6-8]。FBG傳感系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 FBG傳感系統(tǒng)組成框圖

2 FBG解調(diào)算法的ARM實(shí)現(xiàn)

在分析FBG傳感信號特性及信號處理算法的基礎(chǔ)上，基于ARM嵌入式系統(tǒng)并采用C語言編程實(shí)現(xiàn)了FBG反射譜信號的采集、處理等過程。整個系統(tǒng)的處理流程如圖2所示。

圖2 基于ARM的信號處理流程

目前，中心波長的偏移量的測量精度應(yīng)優(yōu)于0.01 nm的量級[9]，這樣才能準(zhǔn)確地檢測到溫度和應(yīng)變等外界環(huán)境的變化。因此，在整個解調(diào)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，濾波和尋峰等信號處理過程仍然是關(guān)鍵。傳統(tǒng)的信號處理方法雖然能實(shí)時準(zhǔn)確地處理信號，但所需電路規(guī)模較大。而使用軟件系統(tǒng)相對簡單，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成并且有利于降低每個系統(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，F(xiàn)BG反射譜濾波處理經(jīng)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?qū)崟r高效地對信號進(jìn)行處理，無需人工干預(yù)即可自主運(yùn)行，并且可以對軟件進(jìn)行重復(fù)設(shè)計，以實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)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(xì)節(jié)進(jìn)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(jìn)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(tǒng)，但對偶然出現(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干擾，對因溫度、液位變化的被測參數(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。

圖3 N值不同的滑動平均濾波效果分析

圖4 N值不同的中值濾波效果分析

圖5 N值不同的中值平均濾波效果分析

綜合考慮，本系統(tǒng)選用中值平均濾波法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，光譜數(shù)據(jù)為(x1，x2，…，xn)，采樣窗口長度為 N=11，其軟件實(shí)現(xiàn)的流程圖如圖6所示。

圖6 濾波算法流程圖

2.2 尋峰算法及其實(shí)現(xiàn)

尋峰過程主要包括波峰檢測和擬合處理。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，需要通過閾值設(shè)定對一些數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，并通過譜峰粗定位確定每個中心波長的粗略區(qū)域。擬合處理的目的是求取反射譜準(zhǔn)確的中心波長位置，這里采用高斯擬合法，其原理是對信號進(jìn)行擬合處理，通過減小誤差達(dá)到尋峰的最佳位置。

波峰檢測主要由閾值設(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)，對小于該閾值的點(diǎn)進(jìn)行剔除，同時對滿足閾值條件的點(diǎn)進(jìn)行存儲，從而對數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)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(cè)各取合適的數(shù)據(jù)，從而確定各點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)，為之后的擬合處理做好準(zhǔn)備。

這時，我已經(jīng)篤定他們不敢報警了，因?yàn)閳缶矝]有用，代孕是違法的，不受法律保護(hù)。而且，孩子是我自己生的，一個母親帶著自己所生的兒子天經(jīng)地義，警方要怎么插手呢？

經(jīng)F-P濾波器掃描后的FBG反射譜信號被光電檢測器檢測，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。光功率譜近似高斯分布[11]，可設(shè)其表達(dá)式為：

理論上功率強(qiáng)度最大值位于中心波長處，并以中心波長為軸左右對稱，因此只要得到反射譜的高斯函數(shù)表達(dá)式，即可求得該反射譜的中心波長值。

其實(shí)質(zhì)就是對 x0進(jìn)行求解， 設(shè) a=1/σ2，b=-2x0/σ2，x=lnA-x02/σ2，Y=ln(y-y0)，則式(4)可改寫為：

經(jīng)變換后得到的方程是多項(xiàng)式方程，通過采集到的數(shù)據(jù)，利用最小二乘法計算出 a、b、c值，進(jìn)而通過關(guān)系式x0=-b/(2a)計算出反射峰峰值對應(yīng)的x0的值。

3 系統(tǒng)測試及結(jié)果

系統(tǒng)選用三星公司的16/32位精簡指令集微處理器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)宏單元和存儲單元，同時系統(tǒng)選用了μC/OS-II為嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)。在μC/OS-II操作系統(tǒng)上，將編寫調(diào)試好的各信號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)的信號通過串口輸入到PC，并通過LabVIEW編寫的上位機(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)波形對比；信號解調(diào)區(qū)主要實(shí)現(xiàn)信號尋峰擬合后的波形、中心波長解調(diào)及對比分析結(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(zhǔn)確性，根據(jù)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(shù)據(jù)采集卡來產(chǎn)生模擬的光柵反射譜測試信號。

圖7 FBG傳感信號解調(diào)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)測試中，在波長1 524～1 540 nm范圍內(nèi)產(chǎn)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(dāng)?shù)母咚拱自肼暋７瓷渥V信號如圖8所示。

圖8 反射譜仿真信號

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(diào)區(qū)：經(jīng)過采集和濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)入解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行波峰檢測、擬合算法等流程。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，通過多次運(yùn)行來計算系統(tǒng)誤差，并取4組數(shù)據(jù)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(jìn)行對比，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。

表1 擬合處理后的中心波長

本文采用了基于ARM的FBG信號解調(diào)系統(tǒng)，通過對整個系統(tǒng)的搭建以及軟硬件的聯(lián)合完成了整個系統(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傳感信號解調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對采集數(shù)據(jù)的實(shí)時處理，成功解調(diào)出FBG傳感信號，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)時性。但設(shè)計仍有不盡完善之處，下一步要優(yōu)化算法的性能，并用ARM自帶的LCD控制器來直觀地動態(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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