基于Zynq小型化光纤光栅温度解调系统设计

针对光纤光栅传感器温度测量需求，本文提出并实现了一种基于 Zynq 的光纤布拉格光栅 （Fiber Bragg

Grating， FBG） 温度解调系统。该系统采用Zynq异构架构，在硬件系统中实现FBG光谱采集与中心波长解算。通过优化

高斯拟合寻峰算法，利用矩阵运算减少了曲线拟合的计算量，在硬件系统中实现了对FBG中心波长的解算，兼顾解调精度

的同时提升系统解调速率与实时性。研制的小型化光纤光栅温度解调系统波长解调范围为1 510 nm ~ 1 590 nm，稳定性可

达 ±2 pm，在结构监测等领域中具有良好的潜在应用价值。

0　引 言

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传

感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、无源传

感以及容易复用等优点，在极端环境下能完成传

统电学传感器难以完成的任务[1] 。在结构监测领

域，光纤光栅通过测量反射波长的变化，能够精

确检测结构的应变和温度等参数，提供长期稳定

的实时数据，广泛应用于桥梁、隧道、建筑等的

健康监测与故障预警[2,3] 。

FBG 解调原理通常通过解调 FBG 传感器反射

光谱中心波长的偏移量来反映被测物理量的变

化[4,5] 。目前，常见的光纤光栅解调方法主要包括

扫描解调方法[6] 、干涉解调方法和光谱解调方

法[7,8] 。基于可调谐激光器[9] 、法布里-珀罗滤波器[10]

等扫描解调方法具有精度较高的优点，但受限于

扫描频率，解调速率较低。干涉解调方法具有解

调精度高，解调速率快等优点[11] ，但其测量范围较

小、长期稳定性较低，在实际工程中应用较少。

光谱解调方法主要利用衍射光栅等分光器件和光

电探测器获取FBG反射谱，FENG等提出了一种基

于衍射光栅的高速解调技术，对光学模型进行了

仿真，并对结构参数进行了优化，光学分辨率达

到 170 pm，解调速率为 2 kHz[12] 。该解调方法具有

解调速率快、稳定性高、抗干扰能力强等优点[13] ，

但受限于采样点数有限，难以精准重构 FBG 反射

谱。2023 年，魏鹤鸣等人提出了一种基于衍射光

栅的光纤布拉格光栅振动解调系统，通过在上位

机运行高斯曲线拟合算法来定位中心波长，将波

长分辨率提升至 0.5 pm，实现了对 4 kHz振动频率

的解调[14] 。然而，在上位机中利用各类解调算法实

现中心波长解算的解调系统，存在体积大、结构

复杂的不足。

本文针对光谱解调方法获取FBG采样点有限、

系统解调精度不高等缺陷，改进高斯拟合寻峰算

法，在硬件系统中利用矩阵运算实现中心波长检

测，减少曲线拟合计算量。系统采用Zynq的架构，

实现光谱采集与中心波长解算。

1　光纤光栅解调系统原理

2　光纤光栅解调系统设计

如图 2 所示，系统整体设计主要分为电源模

块、光路模块和信号处理模块三个部分。电源模

块将输入 28 V 供电转换为多路纯净、纹波极小的

电压给各部分供电。光路模块主要包括 1×16 光开

关、SLEDV(超辐射发光二极管光源)光源与光谱模

块等光学配件。探测范围为 S+C+L 波段，像素点

个 数 为 512， 光 谱 输 出 频 率 最 快 可 达 17 kHz。

SLED光源发出以1 550 nm为中心，3 dB谱宽80 nm

的宽带光传输到FBG温度传感器上，反射光再通过

环形器传入光谱模块中。信号处理模块对光开关进

行16通道切换的驱动，实现16通道的解调。信号处

理模块是以 Zynq 为核心，利用内部集成 FPGA 架

构，实现对光学器件的驱动以及采集传输的功能，

内部集成 ARM 架构对采回的光谱信号进行高斯拟

合处理，最终实现FBG中心波长的解算。

3.1　系统硬件设计

系统硬件部分主要由电源模块和信号处理模

块两部分构成，电源模块将整个系统的电源先通

过 EMI(电磁干扰)和隔离 DC-DC 模块后再产生主

控板所用的各种不同的电压值，信号处理模块主

要电路包括 Zynq系统电路、CMOS(互补金属氧化

物半导体)驱动电路、1×16 MEMS 光开关驱动电

路、ADC(模拟数字转换器)采集电路、以太网

RS422通信电路等。系统硬件整体框架如图3所示。

信号处理模块输出一路时钟信号和一路脉冲

信号作为驱动信号，分别表示为 CLK 和 RESET。

其中，CLK 为 1 MHz~5 MHz时钟信号以作为探测

器阵列输出光电信号的驱动脉冲；RESET 信号作

为复位信号，用于初始化在 CMOS 芯片中电荷放

大器的反馈电容，以改变曝光时间。同时，信号

处理模块输入多路电压对 CMOS 芯片和后端模拟

器件供电如图4所示。光谱模块供电方案都选用纹

波小的LDO(低压差线性稳压器)电路，电压纹波控

制均在10 mV以下。

3.2　系统软件设计

如图 6 所示，系统以 Zynq 为核心进行设计，

其内部有多级数据缓存模块，负责对数据流的保

护与多级时钟域转换的处理。对采集的光谱数据

进行缓存与组包处理后再通过以太网传输模块上

传至上位机，同时会对以太网下发的指令进行缓

存与解析处理，分别解析出采集模式、通道切换

以及解调速率的多种指令格式。PL 端进一步对光

谱数据进行预处理后传至 PS。PS端通过高斯拟合

寻峰算法得光谱数据的特征点，进行特征点与中

心波长的转换，再通过仲裁模块将中心波长数据

上传至上位机或者保存在下位机待处理。

5　结束语

本文设计了一种基于 Zynq 的小型化光纤光栅

温度解调系统，完成电路系统的搭建与解调算法

在下位机的实现，完成了对光纤光栅传感器中心

波长的测量，提高了测量的精度和稳定性。最终

实现光纤光栅传感器的原始光谱与中心波长数据

在上位机实时显示。本文所提出的解调系统通过

在硬件系统实现高斯拟合寻峰算法，在兼顾解调

精度的同时，提升系统解调速率与实时性，在结

构监测等领域中具有良好的潜在应用价值。

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