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1、精品论文基于 FPGA 的马赫-泽德干涉仪补偿系统丘小祥，洪小斌，伍剑，徐坤，林金桐 北京邮电大学光通信及光电子研究院，北京 (100876) E-mail：exhut123摘要：本系统采用 Altera Cyclone 系列 EP1C6T144C8 现场可编程门阵列芯片，实现了光 纤传感系统中马赫-泽德干涉仪两臂的长度补偿容差范围，同时完成数据采集，发射模块的温控，数据处理及可控调制信号的功能。参与干涉的两路光因为经历了不同的干涉臂程，由此导致两光路的相位及偏振态的不稳定性都会导致干涉仪出现较大的衰减而做出了简单而 有效的补偿方法，对于进一步的干涉光偏振态实时动态控制有着良好的辅助作用。经过
2、试验， 相比于传统的用 OTDR 测量两干涉臂程而言，本系统能够以更简单实用的方式以更高的精 度来实现干涉仪系统的臂长补偿。关键词：Mach-Zehnder 干涉仪；FPGA；可编程占空比 中图分类号：TP212.141引言全光纤的 Mach-Zehnder 干涉仪是一种重要的干涉器件，它可以作为光时分复用器或者 光纤传感器等等。传统的 Mach-Zehnder 干涉仪由两个 MB 的光纤耦合器串联而成，如图 1 所示1。光分别送入两根长度基本相同的单模光纤（Mach-Zehnder 光纤干涉仪的两臂），其 一为探测臂，另一为参考臂。光在第二个藕合器中发生干涉，将两干涉臂的相位差信息转换 成为
3、光功率信息，这样就能通过观测光功率的变化判断探测臂上产生的变化2。图 1 Mach-Zender 干涉仪的基本结构如果两干涉臂的长度不相等，由此导致干涉信号衰落。目前对于此类问题的解决方法也 很多，最主要的是利用光时域反射仪（OTDR）对两干涉臂长度分别进行测量，但这方法的 根本问题是因精度问题无法解决短距离范围内（100m）的长度测量，加上这类设备价格昂 贵，由此，寻找一种更加简便实用且精度高的系统是可行的。本文基于 FPGA 的可控系统，利用两同频同相的干涉光分别同时进入两干涉光路，后经 光接收模块对两传输光路的信号进行比较，利用高精度示波器就能很快判断两干涉臂哪个的 长短，然后以相应的长
4、度光纤进行补偿。本文余下部分组织如下：第二节介绍传感系统中 Mach-Zender 干涉仪干涉臂长度差对干涉光可见度的影响，第三节介绍系统的硬件电路设计， 第四节介绍软件的设计，第五节对系统进行试验得出结果，最后进行总结。2Mach-Zender 干涉仪两臂之差对干涉光可见度的影响Mach-Zehnder 干涉仪的基本结构如图 1 所示，图中端口 1、2 为输入端口；3、4 为输出 端口。光从输入输出端口进入光纤，经过耦合器 1 被分成两束，分别进入光纤参考臂和测量 臂，经过传输后耦合后进入耦合器 2，最后，从端口 3、4 输出。在最初的设计中，理论上 的分析都是假设参考臂和测量臂的长度是相同
5、的，都为，但在实际的系统应用中，由于各 种原因，不可能做到两臂长度完全相同。由此，导致两光路中的光信号传输到耦合器时相- 9 -位会发生变化而不尽相同，甚至会相差相当大，对干涉信号造成很大的衰落。此外，外界环境和条件的变化也会导致相位的改变。综合而言，不同的应用环境两种因素所占的比重是不3同的。若令输入光场为 E1 , E2 ，输出光场为 E3 , E4 ，则有如下关系 ： E3 1 j e jk0 n (L + L )0 1 j E1 = jk nL （1） E4 j 1 0e0 j 1 E2 式中 为分光比（对于 3dB 耦合器，=0.5）；k0 为真空波数；n 为光纤纤芯折射率；L 为测
6、量臂光纤长度的改变量； 1 j e jk0 n ( L + L )0定向耦合器矩阵为 ； jk nL 为 Mach-Zehnder 传输矩阵。 j 1 0e0 若令 E2 = 0 ，取 =0.5，则有 E3 1 e jk0 n ( L + L ) e jk0 nL =E1 jk n ( L + L ) jk nL （2）对应的功率传输关系为： E4 2 je0+ e0 P3 sin 2P(k0 n L 2)（3） P =1 cos 2 (kn L 2) 4 0因此，通过该式可知，通过调整L 就可以调整输出功率的比例，并直接决定干涉条纹的可见度。当 P3=P4 时，干涉条纹可见度最大，因此k0
7、nL = m+ , m = 0,1,2,3（4）式中 m 为干涉级次，由 k0 = 22240 可知 m1 L = 0 + = 0 (2m + 1), m = 0,1,2,3,（5）n 24 4n每当L 变化 304n 时，干涉条纹变化一个级次，对应的干涉条纹则移动一定的距离。在距离光纤端口一定距离处，可得到强度接近高斯分布的线状干涉条纹。 利用本征矢量的概念，式（1）可简化为4I= 1 cos 2 ( )I1 + cos( + 31 ) + 1 sin 2 ( )I1 + cos( 31 )（6）out220222021= 1 I1 + cos 2 ( + 31 ) + cos 2 ( )
8、sin 2 ( 31 ) 2 cos( )2 022其中 I0 为干涉仪输入端光强量； 为输入光琼斯矢量与干涉仪本征矢量的夹角； 为两束光 在两干涉臂传输时产生的相位差；3-1 在邦加球上可表示为输入光琼斯矢量绕本征向量旋转角度。从（6）式可知, 干涉仪条纹可见度 K 为5： 1K = cos 2 (31 ) + cos 2 ( ) sin 2 (31 ) 2（7）221= 1 sin 2 ( ) sin 2 ( 31 ) 22从（3）式6可知，可见度 K 依赖于输入光场偏振态与干涉仪本征矢量相对位置。|3-1| 时，对于不同的 角，可见度将在 Kmax = 1, Kmin = cos(3-1
9、 /2)之间变化。这意味着干涉 臂程差引起的相位差及外界环境变化所导致的输入光场偏振态与干涉仪本征矢量相对位置 发生变化（即 角发生变化），将引起干涉仪输出端条纹可见度的变化6。3系统的硬件设计该系统以 Altera 公司的 Cyclone 系列芯片 EP1C6T144C8 为核心，硬件部分主要有以下 几个模块：电源模块，数据采集模块，温控制模块，编码模块，初始化模块功能框图如图 2 所示。着重介绍编码模块及数据采集温控模块。数据采集调制信号0 编码器EP1C6T144C8温控信号RTXM1911 编码器初始化图 2 系统原理框图在系统中，RTXM191 是光收发模块，采用热插拔封装，高达 1
10、.25Gbps 的传输速率采用 了与双工 LC 储光兼容的接口，同时采用 Perl 接口电平，有良好的抗干扰能力和适应能力， 其主要的配置信息来自 FPGA 进行初始化。01 编码器是用来对输出调制型号的占空比进行 可编程控制的模块，采用两个 8 位拨码开关来实现，简单有效。数据采集模块用来采集收发 模块的温度信号，经转换成数字信号到 FPGA 进行处理再输出温控信号来控制光模块的温 度，这对于光发射系统来说至关重要。3.1 编码模块的设计编码模块是通过调整输出调制信号的占空比来实现光在光纤中传输的比较误差，因为作 为整个系统的核心单元必须具有简单易行的操作性。而能够实现这种功能的，有两种方案
11、可 以选择，一是通过计算机与 FPGA 的串口通信接口比如 SPI、I2C、UART 来实现动态编码 控制，优点是能够实现任意多的组态，缺点是需要通过编写上位机程序终端方可实现，比较 麻烦；二是用拨码开关调整占空比实现。比如分别用 n 位的拨码开关，就能实现（2n-1）2 种组态，如果是一个 8 位的拨码开关，就能实现 65025 种组态，具有相当大的范围。综合考 虑两种方法，决定采用拨码开关的方式，拨码开关的原理比较简单，就是一个多位的单刀单掷开关的并联组合。对于 FPGA 上丰 富的通用 I/O 口而言，具有良好的互联性。在此系统中采用的连接方式如下图 3 所示，但应 注意，在对 FPGA
12、 进行逻辑初始化的时候设定了 I/O 口的接口电平为 TTL，根据其特性，当 为逻辑 1 状态时，必须通过上拉电阻；同样的道理，当为逻辑 0 状态时，必须通过下拉电阻。 这样做的目的是为了防止高频噪声的入侵，因为 TTL 电平具有很强的噪声捕捉能力，对于 系统的影响是很明显的。由于拨码开关在开与关的瞬间会导致瞬间电流冲击，通过 FPGA 后会形成尖峰脉冲，由 此可能会导致编码错误，为解决这种情况可以通过加滤波电容或者经过格雷编码器，就能很好地避免这种情况的出现。但图中并未画出。图 3 编码模块应该注意到途中拨码开关与 FPGA 的连接是通过通用 I/O 口来实现的，而 FPGA 的接口 电平兼
13、容了 TTL，LVDS，Perl 电平，需要在 FPGA 的配置芯片中对采用的接口电平进行设 置，通过设定 VREF 的参考电平。3.2 光收发器控制模块设计由于光收发模块 RTXM191-504 里内置了温控模块，但仍需通过外部控制信号来调节温 度。在系统中这部分的实现是通过一个反馈环路来实现温度的恒定控制的，其控制结构图 4 所示。系统有：制冷及其控制执行机构，温度传感器件以及传输部分，高精度放大电路以及 PID 控制驱动电路组成。图 4 温控系统结构负温度系数的热敏电阻将温度信号快速转换为电阻值的变化，然后与设定的高精度基准 温度电阻阻值比较，其比较结果通过失调电压温度系数为 0.1nV
14、 ，电压放大倍数可从 1 到 1000 的可调差动信号处理放大电路放大，此电路为高精度控制提供有利保证，放大后的 信号进入 FPGA 进行数据处理，通过满足闭环系统的瞬态和稳定性能指标 PID 控制网络， 保证系统稳定并具有很好的动态特性，根据处理结果，驱动执行机构控制 LD 制冷或加热， 以保持 LD 的温度恒定，从而保证了激光器在恒定的温度下工作。对温控系统，被控对象LD温度的变化是一个缓慢的漂移过程，从控制的角度来说，是一个典型的一阶滞后环节，作为反馈用的温度传感器其传递函数为式1/（T1+1），高精密放大 电路的放大系数为K1，PID传递函数为式Kp(1+1/T1S+TdS)，因此其系
15、统数学模型如图5所示7。图5 反馈温控结构由图可知，包含闭环网络的系统传输函数为WK (S ) = K1 K1p (1 +11+ Td S )T1 S 1 s + 1 s + 1式中=2，1=0.5分别由激光器和温度传感器的特性决定。设置放大电路的放大系数 K1=100，用MATLAB仿真得到其动态特征可以知道其超调量过大，振荡次数多，影响系统 的性能，因此需要对系统性能进行改善，从而通过引进控制网络，使系统实现较少的振荡次 数、较小的超调量和较快的平衡时间等预期的控制指标。基于上述反馈控制原则，在系统中设置了温度采集模块来控制发射模块的温度。其原理 图如图6所示。图6 数据采集模块经过实验表
16、明，经过温控后的光发射模块的平衡时间缩短为原来的10%左右的时间，同 时系统的瞬态响应时性能得到极大的改善，温度控制精度可达到0.10。4系统的软件设计程序需要完成以下几个任务：数据的采集、数据处理、温控信号输出及编码模块控制信号的处理及输出。程序的开发是用VHDL语言在Altera的集成开发环境Quartus下完成，在这个软件的操作方面就不作介绍，现重点说明程序的结构及各部分的关系。 根据程序的任务，需由2个进程来完成。在FPGA中，各进程是相互独立并行运行，实时性高。程序的结构如图7所示。Process1是温度控制进程，发射模块的温度信号采集进来先判断是否超过域值Tth，若为真则表示发射模
17、块温度正常；反之则进行算法处理，求出最优点， 该算法中温度更新参量对收敛的快慢有决定性的影响，须经过实验来确定合适的取值。图 7 程序结构流程RTXM191-504内置了温度传感器，我们得到连续的电压信号，经过A/D转换后进入FPGA 内部进行处理，然后再输出可变频的方波信号来对发射模块进行温控。这是一个负反馈的闭 环增益系统，而在动态上是采样到最低点，通过反馈来调整温度。模拟退火算法是一种寻找 最优点算法，具有快速的收敛性，能在N10范围内实现收敛，在各类求优算法中具有广泛 的应用，具体的算法结构可以参阅有关文章，在此不再赘述。参数仿真如图8所示8。图8 初温的影响对于算法各参数的选择，经过
18、试验后可定为：修正系数0.05，循环次数N10，初温T0=0.1，温度更新系数P=0.2。5实验结果分析对系统的测试是在实验室环境下完成，以30KM、10KM的单模光纤作为实验。以下是 在高精度示波器上的测量结果。（A）30KM测量值（B）10KM测量值 图9 测量值由图9可知，当光纤的长度为30KM时，光在两个干涉臂中的传输时延差为 T=3.99ns； 当光纤的长度为10KM时，光在两个干涉臂中的传输时延差为 T=1.83ns。折射率为n=1.52，所以光纤中光速为V=V0/n=2108m/s，由此可得30km时两干涉臂长度差为L=Vn=0.8m；10km时两干涉臂的长度差为L=Vn=0.3
19、6m。由两列光的先后顺序就可以得出哪个干涉臂 短，并给与响应的补偿量，就可以在很大程度上减少因干涉臂长度不等而带来的相位误差， 对于马赫-泽德干涉仪而言，有利于提高干涉强度，由此而准确判断信号的入侵信息。6结束语本文给出了一种测量干涉臂长度差的一种简单而有效的方法，以FPGA为核心的系统具 有良好的可扩展性，以最优的算法对发射模块进行温度控制，模块的集成化为板子的设计带 来了很大的方便。诚然如此，但还是存在许多问题仍需要继续解决，在基于马赫-泽德的干 涉系统中，外部噪声导致光的偏振态的改变从而对干涉信号产生相当大的影响，如何解决这 个问题应该是接下来工作的重点。本文的主要完成了如下工作： (1
20、)对干涉臂的长度差导致干涉信号的可见度的影响进行了理论分析； (2)对发射模块的闭环温度控制进行了增益及稳定度分析； (3)设计了基于FPGA的硬件系统，包括温控模块，编码模块，电源模块； (4)在Quartus2的集成开发环境下完成了VHDL程序的开发及调试仿真； (5)对发射模块的各种配置和控制信号进行了分析。参考文献1 廖延彪. 光纤光学M.北京:清华大学出版社,20002 黄涛. 光纤Mach-Zehnder干涉仪及其相位补偿的研究. 北京: 北京交通大学, 20063 周哲海，巫建坤. 基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪的温度测量系统J. 传感器与微系统, 2006第10期:
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23、iu Xiaoxiang, Hong Xiaobin, Wu Jian, Xu Kun, Lin JintongAcademe of Optical Communication and Photoelectron of Beijing University of Posts andTelecommunicatons, Beijing (100876)AbstractThe system uses the FPGA, EP1C6T144C8, from Altera Cyclone to realize compensation in Mazh-Zehnder interferometer. T
24、he main work are including data collection, temperature controlling of transceiver and coding modulate signal. The interferential signal will be attenuated because the difference of arms of interferometer. This system is a effective method for polarization control and with the higher precision to complete length compensate than OTDR.Keywords: Mach-Zehnder interferometer; FPGA; Programmable duty cycle
