基于FPGA的分布式光纤传感器脉冲光源设计

基于FPGA的分布式光纤传感器脉冲光源设计
作者：石玮琛郭宏骏孙毅男董建晶张晓青
来源：《数字技术与应用》2013年第12期
摘要：脉冲光源是分布式光纤传感器的关键部件。

为了设计出具有布里渊频移的脉冲光源，采用基于环形腔结构的布里渊频移器，配合基于Altera公司生产的CyloneIII系列FPGA 芯片EP3C10E144C8N设计的脉宽和频率均可调的脉冲源，经电光强度调制后得到脉冲光输出。

实验表明：该光纤传感器脉冲光源性能稳定，输出激光脉冲的脉宽在20ns-100ns范围可调，频率在10KHz-100KHz范围可调，具有成本低、系统结构简单等优点。

关键词：脉冲光源布里渊频移电光调制
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）12-0179-01
分布式光纤传感器除了普通光纤传感器的特点之外，连续性分布式测量是其独特优势。

其中，基于布里渊光时域分析法（Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA）的分布式光纤传感技术由于测量距离更长、精度更高、性能更出色，在工业、安保、交通基础建设等领域有极其重要的实用意义和开发价值。

在传统BOTDA分布式光纤传感系统中，往往需要使用声光调制器和微波源，转换效率不高，价格昂贵。

此外，系统不仅需要对两个激光器的频差（11.2GHz）进行检测、调节并锁定，而且还要求激光器具备调谐功能，对激光器的频率稳定性有很高要求。

因此，目前布里渊探测光源系统的复杂性和高成本是制约分布式布里渊光纤传感技术应用的关键问题。

本文针对BOTDA光纤传感系统，研究一种新型脉冲光源，整个光源系统避免了微波源和声光移频结构，简化系统结构、降低系统成本的同时可提高系统性能。

1 系统组成
本文所设计的BOTDA双通道光源系统基本结构由图1所示。

中心波长为1550nm的连续激光器发出偏振光，通过布里渊光纤环形频移器产生布里渊频移光（频率低于入射光，频移量约11.2GHz，记成波长量约为0.1nm）。

该布里渊频移光进入电光强度调制器（EOM）进行调制得到系统所需脉冲光，该脉冲光的主要参数，如脉宽、重复频率等由加载在EOM的电脉冲控制。

然后，脉冲光进入掺饵光纤放大器（EDFA）进行放大后作为探测光进入传感光纤。

2 布里渊环形腔频移器设计
布里渊环形腔频移器方案如图2所示。

激光器光源通过可调谐衰减器作为泵浦光进入光纤环形腔结构，环形腔结构由光纤环形器、标准单模光纤（SMF）、偏振控制器（PC）、隔离器（ISO）、可调耦合比光耦合器组成。

在这之前需加入隔离器1，防止腔内激光折回对光源造成损坏，泵浦光在腔内形成顺时针环形泵浦。

当经过SMF时，由于发生受激布里渊散射效应，SMF中将产生在沿环形腔逆时针方向传播的Stokes光，再经过ISO和偏振控制器，在腔中形成环形振荡，并经由耦合器输出，输出光谱由光谱仪（OSA）测量。

环形腔中ISO的作用是使环路中的光只能逆时针传播，防止产生高阶斯托克斯信号光；PC的作用是调节环路中的偏振态使环路中的散射光强达到最大。

3 脉冲信号源设计
脉冲信号源的设计以Altera公司生产的CyloneIII系列高性能FPGA芯片EP3C10E144C8N 为设计核心，其管脚数为144，速度等级为8级，有4MB片上RAM，288个18×18乘法器，性能较为强大。

利用FPGA的主频率进行n分频可实现不同频率的方波脉冲，同时也能实现任意占空比调节脉冲。

通过串口与上位机（PC）进行通信，实现脉宽和频率的调节。

利用VerilogHDL语言来描述并实现如下功能：将EP3C10E144C8N的50MHz主时钟频率，通过分频器设计进行5000分频。

用m控制占空比，用n控制分频比即输出的频率，即占空比为m/n；输出频率
f=50M/n。

以输出频率为10KHz、占空比为 0.8为例：n=50000000/10000=5000（十进制）
=01001110001000（二进制），m=n*0.8=4000（十进制）=00111110100000（二进制）时，输出频率为f=10KHz，所以调节n、m可达到任意整数频率和占空比的调节，从而实现预期的设计目标（脉宽10ns-100ns，频率10KHz-100KHz）。

4 系统实验及分析
根据所设计的布里渊频移器结构，选取8km长单模光纤进行实验研究。

中心波长为1551.28nm，输出功率为13dbm（20mw）的DFB激光器经过光衰减器进入环形腔，输出光谱由光谱仪观测，分辨率为0.01nm。

当进入环形腔的光功率到2.3mw时，斯托克斯光光功率突然增大，且其他波长的光功率急剧衰减，此时光谱上只表现为斯托克斯光，且斯托克斯光功率随着入腔光功率的增加而逐渐加大。

将电源、DFB激光器、电光调制器、布里渊频移光路模块、调制信号源模块进行联接，组成光源系统脉冲通道实验装置。

通过可调谐电压源为调制器提供偏置电压，输出调制信号源参数通过PC机与串口助手进行调节。

电光调制器的输出光输入到光电探测器进行检测，光电探测器的输出通过SMA接口进入到示波器上进行观测。

实验结果表明，所设计的脉冲光源系统实现了脉冲光的输出，通过调节脉冲驱动信号，实现了脉冲光的基本参数（脉宽、频率）的改变。

多次重复实验表明调制后光脉冲信号性能良好，证明了本光源设计可行性，达到了预期的设计效果。

5 结语
本文以FPGA芯片为核心设计了分布式光纤传感器的脉冲光源，实现了频移后光源脉冲宽度与频率的改变，具有简化系统结构、降低系统成本的特点，满足了分布式光纤传感器对光源的要求，应用前景相当广阔。

参考文献
[1]黄民双，黄军芬.光纤移频分布式布里渊光纤传感技术[J].光子学报，2011，40（9）：1428-1432.
[2]潘松，黄继业.《EDA技术实用教程——VHDL版》[M].北京：科学出版社，2010.。