关键词：光纤传感；空分复用；温度与应力显示；fpga；vb
引言
近年来，光纤光栅传感技术的应用在各行各业中得到了快速的发展。人们对待测物理量在精度、性能、容量以及多参数等方面提出了更高的要求。这极大地促进了光纤光栅传感复用类型相关理论和技术的研究，而解调显示技术正是其中的一个重要环节，现常以arm，dsp，fpga等芯片为核心控制多路数据信号的采集、存储和处理，并用labview，vb，matlab及其混合使用等做界面显示处理。
文中fpga与vb结合实现多参量的监测显示，得益于fpga高度集成、内部资源丰富、功能强大、时序控制、支持并行处理、编程灵活等优点；vb简洁易懂、界面设计简单。
本文主要完成了对多监测点双参数监控显示的研究。fbg能通过反射或透射波长实现对温度的测量；f-p可用做可调谐f-p腔、滤波器、传感器等，调节腔长与电压的关系能实现对应力解调。故首先设计了一种基于fbg与f-p腔传感器串联复用，并对其进行空分复用，构建成能实现多监测点双参数高精度解调的系统。分析f-p腔与fbg串联复用的光谱，可知能实现待测信号的高精度解调：即f-p腔长（应力）和fbg反射中心波长（温度）的同时测量。并使用fbg和f-p腔分别对温度与应力进行测量，进而与f-p腔和fbg串联复用所得结果进行比较，通过实验对该方法进行了验证。而空分复用就能实现多个监测点的双参数高精度解调。此后由fpga构建的sopc与niosⅱ完成对多监测点双参数的数据采集；由vb串口通信进行数据接收，并把采集到的数据带入高斯曲线拟合方程中，求出具体的温度与应力，并用vb界面实现了监控显示。
1、原理分析与理论模型
1．1fbg的应变和温度响应
根据光纤耦合模型理论可知，满足bragg条件的反射光波长为：
λb=2neffλ（1）
式中：λ为光栅周期；neff为有效折射率。当λ和neff因外界同时引起较小的变化δλ和δneff时，由bragg条件可知，反射波长会发生移位δλb。δλb可表示为：
△λb=2△neffλ+2neffδλ（2）
若温度、应变共同作用时，产生的bragg波长位移δλb，用线性关系可表示为：
式中：α是光纤材料的热膨胀系数；△t是温度变化量；pmn为材料的光弹系数；v2，v3为泊松比。由式（3）可知，由单一fbg在测得中心波长移动δλb时，还需知道温度才能求出应变，这就是温度与应变的交叉敏感问题。当应变和温度同时发生变化时，光纤光栅无法区分由二者独自引起的波长变化，测量其中一个量时，总会受到另一个量的影响。为解决交叉敏感问题，人们提出了多种方法，其中串联复用传感就是一种有效的方法。如光纤布拉格光栅和长周期光栅结合的传感器系统，该系统能实现油气井下应力和温度的同时测量。本文研究f-p腔与fbg串联复用传感，能消除交叉敏感影响，并对该串联复用传感器进行空分复用实行多点监测，zui终用vb编码实现数值界面显示。
1．2f-p腔与fbg串联复用传感器的解复用
因为f-p腔有温度-压力交叉敏感性能实现对温度的补偿，能使测量精度提高，故可采用f-p腔与fbg串联复用传感器的解复用。其结构如图1所示。
原理阐述：光从光纤左端入射iin，进入fbg与f-p腔串联复用的结构中，首先经过fbg温度传感器，此时bragg反射波长附近的一部分光i1被反射，而透射光i2入射到f-p腔传感器，得到f-p反射光谱为一低反衬度的f-p腔干涉光谱i3，i3再通过fbg传感器，其透射光部分为i4。与之前的fbg传感器反射光i1相叠加形成zui终的输出光谱iout。其数学表达式为：
iout=i1+i4=iin[ffbg+（1-ffbg）2ff-p]（4）
式中：ffbg=r·exp[-（λ-λb）2／c2]，即用高斯分布来表示fbg的反射谱，r为光栅峰值反射率；λb为bragg反射中心波长；c值的大小用于表征反射峰的宽度；ff-p=2r[1+cos（4πl／λ+π）]，其中r为光纤端面反射率。l为f-p腔的腔长，λ为光波长。
由式（4）可知，由传感器返回的光谱并不是fbg传感器与f-p腔传感器各自反射光谱的简单叠加。此时，若直接采集光谱信号中的fbg反射峰值波长作为fbg传感器的温度解调信号，将导致结果发生偏差，影响温度测量精度。为了得到的fbg反射光谱信号，将式（4）展开成为关于ffbg的一元二次方程：
解此方程，可得的fbg反射光谱，进而通过对解出的光谱峰值部分进行高斯拟合，求解出中心位置，即可解出fbg的中心波长。式（5）中iout和iin是可直接测量得到的光谱分布数据，ff-p通过f-p腔反射光谱的交叉相关解调算法得到。消除fbg对f-p腔解调的影响只需找到fbg的粗略峰值位置，将fbg峰值部分光谱数据从光谱中扣除。由于fbg光谱宽度远小于宽谱光源宽度，而交叉相关计算对于小范围光谱数据的缺失不敏感，因而不影响f-p腔解调结果的精度。
将相关解调计算得到的ff-p带入式（5），得到方程的解为：
在实际解调过程中，可取测量得到的原始fbg光谱峰值附近一定范围的光谱数据做上述运算，得到分离后fbg的新光谱并进行高斯拟合，即可得到的fbg的中心波长位置。故该串联复用能实现双参数解调。
2、解调研究
2．1fbg与f-p腔传感串联复用进行空分复用的解调
分析fbg与f-p腔传感串联复用可知，能同时实现对温度和应变的高精度测量。通过对该串联复用系统进行空分复用，能实现对多监测点的双参数测量。以可调谐窄带激光f-p腔做光源，可使各分路的光功率提高，提高系统的信噪比，解调范围可控制。为此构建一个能同时测量温度和应变，并且能大幅度提高度的空分复用系统。对该空分复用系统各路光纤进行解调设计的原理如图2所示。
首先用fpga控制多路选择开关，选择具体的某路光纤。进入到光电探测器中，将光信号转换为模拟电信号并用a／d转换为数字信号。采集完数据并存储于fpga存储器中，再进行下一路光纤数据的采集，如此循环，在一给定的时序内完成所有光路的数据采集，并将数据用数组存储。zui终通过对fpga进行配置与编程，实现对存储器的读写转换，用rs232数据线通过vb串口通信连接到计算机中进行处理，实现对温度／应力的显示。fpga的i／o端口可扩展为多路开关和a／d转换，进一步能实现对更多路的监测解调。
2．2数值界面监控显示
2．2．1软核配置与数据采集
以fpga开发板ep2c8q208为硬件平台，在quartusⅱ11．0的sopcbuilder里，设计niosⅱ软核处理器及功能模块。直接调用altera提供的ip核，功能模块ip核经配置后，即可加入到系统中。此处添加的模块有cpu，sdram，flash，pio，spi，m4kram，uart，ds等。其连接图如图3所示。
pio模块主要用来实现a／d的配置和控制；ram为缓冲存储块，设置为双端口ram，一个端口写，另一个端口读；ds时钟模块进行时序控制；sdram随机存储器；flash程序下载固化时用；niosⅱ软件编程控制模块，通过各模块的配置以及niosⅱ的程序来寻址ip核，完成数据的采集；以rs232串口线完成fpga与pc的连接，并由uart与编写的vb串口实现通信。
2．2．2数据串口通信
主要是将niosⅱidemain（）里的数组寻址ram模块读来的数据，传送到vb串口接收窗口中，以niosⅱ软核处理器中的uart（rs232）实现数据与pc通信。此处需在pc上用vb编写一个串口通信端口来接收ram里的数据。注意uart与vb接收端口的波特率必须一致，否则不能成功通信。以下为vb处理代码：
（1）vb串口端口通信，由mscomm控件来完成通信，其初始化为：
（3）txtreceive接收文本的数据，每过5s刷新数据，并继续接收由fpga采集传来的数据。由timer控件处理，其属性enabled为true，interval为5000，timer（）事件为form1．text1．text=串口调试软件．txtreceive．text。确保引用接收到的数据是实时正确的。
2．2．3vb界面显示
将vb串口通信接收端接收到的数据，经过高斯曲线拟合方程处理，求出对应的温度和应力。由于条件限制，实验中采用的fbg中心波长均为1550nm，腔长为15μm的f-p腔。以第1路光纤为例，实验测得的参数由matlab进行高斯曲线拟合结果如图4所示：图4（a）为f-p腔长与应力变化关系曲线，在f-p腔长为8．5μm范围内对应着10-3ε，拟合的高斯方程可表示为：
f=（l-15）×1000／85（7）
式中：l代表所测的f-p腔长；f代表应力。故由测得的腔长l可求出f。
图4（b）为fbg反射中心波长与温度变化关系，拟合的高斯方程为：
λb=9．565t+1550．12175（8）
式中：t代表所测温度；λb代表fbg反射中心波长。故由测得反射中心波长λb可求出t。zui后通过vb代码编写实现所测温度与应力的界面监控显示。
这里以引用vb串口接收8路通道采集的数据为例，双参数显示的代码如下：
由fbg0采集的数据，用matlab高斯曲线拟合通过方程处理求出t／f。
由fbg1采集的数据，用matlab高斯曲线拟合通过方程处理求出t／f。
多路解调双参数t／f数值监控显示的实验结果如图5所示。
3、结语
理论与实验结果分析可知，fbg与f-p腔串联复用传感器可以消除温度与应力的交叉敏感，能实现对监测点温度与应力的高精度解调，同时由空分复用可实现多个监测点的同时测量。系统设计采用fpga+niosⅱ完成数据的采集与vb通信的处理。实验结果表明，该系统性能可靠，准确的对温度与应力实现实时监控，且运行稳定。而fpga的预留i／o端口可作为扩展端口使用，以便实现更多监测点的测量。当实时性达到一定精度后，该方案就能满足大型工程的应用需求，如在航空航天的卫星发射时，对其各子系统温度与应力的实时动态监控；以及对大型机械厂房温压的实时动态监控等等。