多通道光纤布喇格光栅传感器同步解调系统

摘要：为了实现对整个舰艇结构状态长期实时的监控，构建了基于光纤布喇格光栅传感器的监控系统，设计了系统总体硬件电路，给出了系统软件工作流程和寻峰算法流程，并最终完成了对系统的功能验证。经验证，系统实现了多通道同步实时校准的波长解调功能，扫描频率可达4 kHz，能够快速响应监控状态，可直接进行工程应用。
关键词：结构监控；光纤布喇格光栅；寻峰；实时校准；波长解调

在军事领域，为了防止灾害事故的发生，对舰船、潜艇等这些重要军事装备必须要有结构完整性要求。对使用中的舰船、潜艇进行连续、实时的监测，有效地监测和预测舰船、潜艇结构的损伤累积过程，评定和预测舰船、潜艇结构的安全性和可靠性，以及时地对结构进行维修加固，保证其结构没有明显的损伤存在，使舰船和潜艇安全可靠。
传统的点式电测电传方式易受强电磁干扰信号不易远距离传输，这些检测手段难以全面反映舰艇结构的工作状况，不能完成对整个结构状态长期的实时监控。而光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器作为一种新型的光纤传感器，体积小、抗电磁干扰能力强、易于组建传感网络并且能够实现传感信息波长编码等许多独特优点，为舰艇结构健康监测提供了新的途径。
鉴于此，为了实现对整个舰艇结构状态长期实时的监控，笔者构建了多通道光纤布喇格光栅传感器同步解调系统。

1 系统总体设计
多通道FBG传感器同步解调系统总体设计如图1所示。系统由光路部分和信号处理部分组成，光路部分采用基于可调谐F-P滤波器的实时校准方案，主要由宽带光源、可调谐F-P滤波器、3db光纤耦合器、光开关阵列(1×16)、FBG传感阵列、带标记热稳定性标准具模块和光电探测器等组成，以实现将外界温度和应变等调制信息转换成电信号；信号处理部分用FPGA+DSP架构协同处理，控制光开关阵列进行传感光路选择和D／A输出三角波或锯齿波驱动可调谐F-P滤波器，从而实现对光路的协同操作。然后启动六路ADC，前五路采集光电探测器转换的信号，最后一路采集调理后的三角波或锯齿波作为触发信号，触发对其他五路数据的并行寻峰操作，通过查表将标准具透射信号的各峰值对应的波长值确定，再将被测FBG传感器反射信号的峰值位置和标准具的峰值阵列位置联系起来，通过线性插值运算，能够解调出FBG传感器的中心波长，最后通过高速网口将波长数据传送到上位机，从而实现全天候、实时监控的功能要求。