本文属于类型a，即单一原创研究报告。
本文作者为Javier Elaskar、Marcelo A. Luda、Lorenzo Tozzetti、Jorge Codnia以及Claudio J. Oton。其中，Javier Elaskar、Lorenzo Tozzetti和Claudio J. Oton来自意大利比萨圣安娜高等研究学院（Scuola Superiore Sant’Anna）的机器人技术与人工智能卓越系下属机械智能研究所；Marcelo A. Luda与Jorge Codnia来自阿根廷布宜诺斯艾利斯的CITEDEF下属CEILAP。该研究发表于《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》期刊2022年第71卷，文章编号7003011，于2022年4月7日在线发表。
从学术背景来看，该研究属于光纤传感与高速信号处理领域。光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器通过测量反射峰波长的变化来感知温度、应变等物理量，具有抗电磁干扰、体积小、耐恶劣环境以及可实现准分布式测量等优点。然而，传统的FBG解调仪基于扫频激光器或光谱仪，采样速率通常仅为几千赫兹，最快的也仅有几十千赫兹，难以满足诸如燃气轮机、内燃机或超声检测等需要数百千赫兹带宽的应用。为解决这一瓶颈，研究者提出使用非平衡干涉仪将波长移动转化为相位移动，并采用相位生成载波（Phase-Generated Carrier, PGC）技术进行解调。然而，标准PGC技术在调制深度偏离标称值时会产生信号失真。为此，本文作者在前期提出的多音混频（Multitone Mixing, MTM）方法基础上，将其在低成本现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array, FPGA）平台上实时实现，构建了一套高速FBG询问器系统。
在工作流程方面，本研究主要包含光学系统搭建、MTM解调算法实现、FPGA数字信号处理设计以及实验验证四个环节。光学系统采用超辐射发光二极管（Superluminescent Light-Emitting Diode, SLED）作为宽带光源，中心波长1550 nm，3-dB带宽80 nm。系统中包含两个FBG：FBG#1为热无封装光栅，中心波长1571 nm，用于作为参考通道；FBG#2中心波长1548.7 nm，粘贴在压电致动器上，可提供1.4 nm的调谐范围。反射光经过90/10分束器后，90%进入有源Sagnac干涉仪。该干涉仪包含一段铌酸锂（Lithium Niobate, LN）调制器和保偏光纤（Polarization-Maintaining Fiber, PMF），通过电光调制在2.6 MHz频率下对干涉条纹进行正弦抖动。干涉仪输出经粗波分复用器（Coarse Wavelength Division Multiplexer, CWDM）分成两路，分别由光电二极管和跨阻放大器转换为电压信号后送入FPGA。MTM技术的关键在于，在解调时不使用纯正弦波进行混频，而是使用包含三次谐波的合成函数f1和f2。对于标称调制深度cnom = 0.84π，研究者选用的系数为a1 = 1、a2 = 2.5806、a3 = −3.03391、a4 = 0，这些系数使得调制深度在小范围偏离时仍能保持极低的失真。FPGA系统基于Red Pitaya STEMlab 125-14开发板，该板集成了Xilinx Zynq 7010芯片，包含FPGA和双核ARM Cortex-A9处理器，配备两个14位、125 MS/s的模数转换器（Analog-to-Digital Converter, ADC）和两个数模转换器（Digital-to-Analog Converter, DAC）。FPGA逻辑采用Verilog语言编写，包含谐波信号生成、乘法混频、四阶级联一阶无限冲激响应（Infinite Impulse Response, IIR）低通滤波器以及数据采集模块。系统可同时处理两路解调通道，通过以太网将数据流传输至远程计算机，单通道采样率最高可达0.98 MS/s，双通道时为每通道0.49 MS/s。
在实验结果方面，首先进行单通道采集测试。当FBG#2被80 Hz正弦信号激励时，功率谱密度（Power Spectral Density, PSD）对比显示，本文提出的询问器在信噪比方面优于两台商用设备（Ibsen Photonics I-MON-512-USB和Micron Optics Hyperion si155），噪声底更低，且因带宽高达280 kHz，可观测到商用设备无法检测的高次谐波。其次，双通道采集实验中，利用FBG#1作为参考通道，通过对两通道信号进行时域差分，成功消除了低于10 Hz以及30至40 kHz范围内的共模噪声，尽管噪声底因两通道非相关噪声叠加而略有上升。在噪声性能方面，本文询问器的差分通道动态波长分辨率达到4.7 fm/Hz^{1⁄2}，比Micron Optics和Ibsen分别低约10倍和4倍。在满带宽280 kHz下的时间域噪声标准差为2.39 pm。35 Hz锯齿波信号的对比测量中，本文询问器与商用询问器的轨迹标准差仅为3.7 pm，即使在波长扫描范围超过一个自由光谱范围（Free Spectral Range, FSR）的情况下，通过相位解包裹算法仍能正确恢复信号。高频测试中，42 kHz信号（压电致动器谐振频率）的通道间串扰低于−60 dB，100 kHz信号的信噪比约为60 dB。在调制深度容差测试中，当调制深度偏离标称值10.2%时，标准PGC方法产生的x-y图由圆形变为椭圆，锯齿波信号上升沿出现锯齿状失真；而MTM方法在相同条件下仍保持圆形和直线上升沿，显示出对调制深度变化的高度鲁棒性。此外，通过改变保偏光纤长度（1 m和5 m延长段），干涉仪的FSR可从0.94 nm调整至2.37 nm。实验表明，波长噪声随FSR减小而降低，但相位噪声在两个FSR下几乎相同，说明噪声主要来自干涉仪的相位估计过程。
在结论部分，作者指出该系统实现了基于有源Sagnac干涉仪和MTM解调算法的高速FBG询问器，通过低成本的FPGA平台实现了实时信号处理和数据流传输，动态波长分辨率为4.7 fm/Hz^{1⁄2}，优于两种商用询问器。系统可同时监测两个FBG，并利用其中一个作为参考以消除共模噪声。系统带宽和采样率仅受限于信号处理和数据传输能力，而非光学系统本身，可用于需要数十至数百千赫兹高速监测的应用场景。该研究的亮点包括：首次在FPGA平台上实时实现了MTM解调算法；展示了MTM相较于标准PGC在调制深度漂移时显著降低失真的能力；通过双通道差分实现了共模噪声的有效抑制；以及展示了干涉仪FSR可通过改变PMF长度灵活调节的特性。这些成果为高速振动监测、超声检测以及快速旋转机械的健康监测提供了新的技术途径。