专利名称：基于fpga的ccd光纤光栅传感解调系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及基于FPGA的CCD光纤光栅传感解调系统，适用于光纤传感技术领 域。
背景技术：
光纤光栅是近几年来发展最为迅速的新型光无源器件之一，由于其具有光纤传输 系统的不带电、抗射频、抗电磁干扰、防燃、防爆、抗腐蚀、耐高压、耐电离辐射、重量轻、体积 小及大信号传输带宽等优点，使得光纤光栅在传感领域得到了广泛的应用。对光纤光栅的波长编码信号进行解调，是实现光纤光栅传感器实用化的关键。光 纤光栅解调最直接的方法是利用光谱仪，这种解调方法结构简单，但是造价太高、体积大， 仅适于实验室实用，实际应用价值较低。为了用于实际工程中的检测，国内外对光纤光栅的 解调技术进行了大量的研究，提出了多种解调方法。有的解调方法很简单，但解调速度慢、 精度不高、不能进行多点复用检测；有的解调方法精度很高、能进行多点复用检测，但解调 方法复杂、成本太高。因此，高速度、高精度、动静态信号结合检测、多点复用检测和低成本 是光纤光栅解调技术的发展趋势。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是克服现有光栅传感解调方法的不足，提供一种 体积小巧、复用性强、解调高速的光纤光栅传感解调系统。本实用新型的技术方案一种基于FPGA的CCD光纤光栅传感解调系统，宽带光源的输出接耦合器的第一 端，耦合器的第三端接传感光栅的一端，传感光栅的另一端接匹配液，耦合器的第二端接光 纤，光纤射出的光射向准直反射镜，经光谱成像单元后，分成不同波长的光并送入信号检测 单元，通过光电转换将光信号转变成电信号；转换后的电信号经过信号采集处理单元进行 采集处理。光谱成像单元采用反射式的成像系统，衍射光栅、准直反射镜在空间上平行摆放。信号检测单元采用CCD器件，同时对多点进行测量；分开的光经成像反射镜成像 到CCD探测器上，进过光电转换，把光信号转换成电信号。信号采集处理单元采用可编程逻辑器件FPGA来设计CCD驱动电路，用FPGA控制 A/D转换和数据的存储，并利用FPGA的嵌入式CPU来采集处理数据；在CCD驱动电路的驱 动下，转换后的电信号经过放大器采集放大，放大的信号经过A/D转换后送入处理器处理， 输出的信号经过计算机计算分析获得反射谱信息，确定各点的中心波长的漂移量，完成传 感波长的解调。本实用新型的有益效果光谱成像单元采用反射式的成像系统，色差小、体积小、 结构简单、价格便宜，可进行多通道的实时成像；信号检测单元通过CCD探测器获得光谱的 信息，将测量光谱线转化成测量光斑所在像元位置，可以同时对多点进行测量，提高了系统的稳定性和可靠性；信号采集处理单元采用可编程逻辑器件FPGA设计驱动电路和信号采 集处理电路，充分利用了 FPGA可编程特性及高实时性的特点，提高了系统的实时监测能力 和解调速度，如果需要改变驱动电路的时序，只需要对器件重新编程，而不需要改变硬件配置。
图1 一种基于FPGA的CXD光纤光栅传感解调系统示意图。图2光谱成像单元结构示意图。图3CXD驱动电路结构示意图。图4信号采集处理电路结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步描述。如图1所示，为一种基于FPGA的CCD光纤光栅传感解调系统，宽带光源1的输出 接耦合器的第一端21，耦合器的第三端23接传感光栅3的一端，传感光栅3的另一端接匹 配液4，耦合器的第二端22接光纤5 —端，接光纤5的另一端射出的光射向光谱成像单元中 的准直反射镜8。经过准直反射镜8反射后变成的平行光入射到衍射光栅7上，由于衍射光栅7的 分光作用，把不同波长的光分开，分开的光经成像反射镜6成像到CCD9上；信号检测单元采 用CCD9探测信号，通过CCD9实现光电转换，把光信号变成电信号；用FPGA15驱动CCD9，在 C⑶驱动电路10的驱动下，转换后的电信号经过AD放大器11采集放大，放大的信号经过 A/D转换12后送入处理器13处理，输出的信号经过计算机14计算分析获得反射谱信息，确 定各点的中心波长的漂移量，完成传感波长的解调。当从传感光栅3反射回来的光的波长 发生漂移时，经过衍射光栅7的光的衍射角会发生变化，成像到(XD9上的位置也会发生变 化。通过测量光斑在(XD9上不同的成像位置，可以测得波长的漂移量。如图2所示，为基于FPGA的CCD光纤光栅传感解调系统的成像单元的结构图。光 谱成像单元采用反射式的成像系统，衍射光栅7、准直反射镜8在空间上平行摆放，使成像 光线和入射光线在空间上交叠，光谱的成像位置与衍射光栅7、准直反射镜8的位置在空间 上不发生干涉，结构简单，体积小巧，可进行多通道的实时成像，适合于实际工程中的应用。所述的衍射光栅7采用反射式的平面衍射光栅，制作工艺简单，价格便宜；成像反 射镜6采用成像凹面反射镜，准直反射镜8采用准直凹面反射镜，反射镜的制作相对比较容 易ο如图3所示，为基于FPGA的CCD光纤光栅传感解调系统的CCD驱动电路结构图。 CCD9时序脉冲信号是一组周期性的、关系比较复杂的脉冲信号，它直接影响系统的信号处 理能力，CXD驱动电路10的设计是(XD9应用的关键。系统采用FPGA15对(XD9进行控制， 用硬件语言设计出CCD9的驱动时序，通过时钟分配到驱动芯片，保证CCD9的正常工作。(XD9驱动脉冲主要包括转移脉冲SH、复位脉冲RS、采样保持脉冲SP、钳位脉冲CP、 时钟相位脉冲Φ IE和Φ2Ε。外部有源晶振产生20ΜΗΖ的时钟脉冲信号CLK输入，RS、SP、 Φ IE和Φ2Ε输出(XD9的复位、采样保持、相位信号等。(XD9有5000个有效像元，还有76个虚假像元，一个SH积分周期至少需要5076个像元时钟周期。CXD复位脉冲RS占空比为 1 3，它是0 7的循环计数器，在计数4和5之间为高电平，其余为低电平，高电平时占时 钟脉冲3个周期，低电平占时钟脉冲1个周期。转移脉冲SH总共需要5076X20 = 101520 个时钟脉冲，是一个16位的计数器，在计数8 15之间是高电平，其余均为低电平。钳位 脉冲CP通过将复位脉冲RS延时即可获得。所述的(XD9采用东芝公司包含5000个像元的TCD1501C线阵(XD，线阵CXD所含 像元数越多解调系统的分辨率越高；FPGA15采用ALTERA公司StratixII系列的高性能器 件 EP2S180F1508I4。如图4所示，为基于FPGA的CCD光纤光栅传感解调系统的信号采集处理电路结构 图。AD放大器11对CCD9输出的信号进行放大，提高有效信号的幅值，再送入A/D转换芯 片12进行A/D转换。FPGA15控制A/D转换芯片12产生时钟信号，并与(XD9的时钟脉冲 信号保持一致，保证CCD驱动电路10和A/D转换芯片12的同步工作。为提高系统的运算 处理速度，在硬件上实行并行处理，将A/D转换芯片12的转换和CPU17的运算同时进行，A/ D转换芯片12转换的是下一帧的数据，而CPU17运算的是上一帧的数据。系统设计双端口 RAM16，用于存储A/D转换数据的地址总线和读写控制信号，经过A/D转换芯片12转换后的 信号从双端口 RAM16的一端写入，同时还可以从另一端读出数据。当CPU17接收到串行总 线的命令数据后，CPU17从双端口 RAM15读出数据，并通过串行总线上传到计算机14，处理 显示数据。如果没有接收到命令数据，CPU17从双端口 RAM16中读出数据，保存到SRAM中 并进行处理，处理完的数据在显示器上显示。所述的运算放大器11采用高速运算放大器AD810，A/D转换芯片12采用10位的 高采样速率低功耗MAX1076，双端口 RAM16采用Quartus II 7. 0的IP工具定制2048bit 宏功能块LPM RAM, CPU 17采用Altera的NOIS II系列的嵌入式处理器，可以节省50%的 FPGA资源，计算性能提高了一倍。本实用新型所使用的器件均为市售器件。
权利要求一种基于FPGA的CCD光纤光栅传感解调系统，宽带光源(1)的输出接耦合器的第一端(21)，耦合器的第三端(23)接传感光栅(3)的一端，传感光栅(3)的另一端接匹配液(4)，耦合器的第二端(22)接光纤(5)，光纤(5)射出的光进入光谱成像单元，分成不同波长的光并送入信号检测单元，通过光电转换将光信号转变成电信号；转换后的电信号经过信号采集处理单元进行采集处理；其特征在于光谱成像单元采用反射式的成像系统，衍射光栅(7)、准直反射镜(8)在空间上平行摆放；光纤(5)射出的光射向准直反射镜(8)；信号检测单元采用CCD(9)探测信号，用FPGA(15)驱动CCD(9)。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的CCD光纤光栅传感解调系统，其特征在于成像 反射镜(6)采用成像凹面反射镜，衍射光栅(7)采用反射式的平面衍射光栅，准直反射镜 (8)采用准直凹面反射镜。
专利摘要本实用新型涉及基于FPGA的CCD光纤光栅传感解调系统，适用于光纤传感技术领域。该系统的宽带光源(1)的输出接耦合器的第一端(21)，耦合器的第三端(23)接传感光栅(3)的一端，传感光栅(3)的另一端接匹配液(4)，耦合器的第二端(22)接光纤(5)，光纤射出的光射向准直反射镜(8)，经光谱成像单元后，分成不同波长的光并送入信号检测单元，通过光电转换将光信号转变成电信号；转换后的电信号经过信号采集处理单元进行采集处理。光谱成像单元采用反射式的成像系统，衍射光栅(7)、准直反射镜(8)在空间上平行摆放。信号检测单元采用CCD(9)探测信号，用FPGA(15)驱动CCD。该系统色差小、体积小、便宜，能多点实时检测。
文档编号G02F2/00GK201680848SQ201020169110
公开日2010年12月22日 申请日期2010年4月20日 优先权日2010年4月20日
发明者周倩, 宁提纲, 张振宇, 李晶, 胡旭东 申请人:北京交通大学