光纖光柵傳感系統(tǒng)解調(diào)方法概述

趙亞麗

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校 工業(yè)技術(shù)中心，河北　承德　067000；2.河北省儀器儀表工程技術(shù)研究中心,河北　承德　067000)

光纖光柵傳感器是近年來迅速發(fā)展的光纖器件，其實(shí)質(zhì)上是一種波長調(diào)制型傳感器，其機(jī)理為通過外界參量對(duì)光纖光柵諧振波長的調(diào)制來獲得傳感信息。傳感信號(hào)的解調(diào)是光纖光柵系統(tǒng)中最為重要的環(huán)節(jié)，解調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性[1,2]，因此快速準(zhǔn)確地檢測光纖布拉格波長的微小變化，即對(duì)波長編碼的信號(hào)解調(diào)成為光纖光柵傳感器應(yīng)用研究的重點(diǎn)問題。

光纖光柵傳感信號(hào)的解調(diào)方式有強(qiáng)度解調(diào)、相位解調(diào)和波長解調(diào)等，這些方案各有所長，適用于不同傳感系統(tǒng)的需求，其中波長解調(diào)具有中心波長處窄帶反射，不必對(duì)光纖連接器和耦合器損耗以及光源輸出功率起伏進(jìn)行補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用[3]。闡述了各種光纖光柵解調(diào)方案和原理以及特點(diǎn)，以期為光纖光柵傳感器的工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1　常用光纖光柵解調(diào)方法

波長解調(diào)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是對(duì)傳感光柵的反射譜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，分析出波長編碼，為了在各種應(yīng)用中能準(zhǔn)確地解調(diào)出傳感信號(hào)，通常將波長變化量轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度變化量和相位變化量，解調(diào)方法按工作原理可分為干涉法、色散法、衍射法、濾波法等幾大類。

1.1　干涉法

干涉解調(diào)是將光纖光柵波長偏移量轉(zhuǎn)化為相位變化來檢測被測波長，主要包括Michelson干涉法、M-Z干涉儀法和Sagnac干涉儀法。

1.1.1Michelson干涉解調(diào)法

Michelson干涉解調(diào)法的基本原理是Michelson干涉原理，傳感光柵的反射光經(jīng)耦合器進(jìn)入受壓電陶瓷控制的Michelson干涉儀，被干涉臂末端的反射鏡反射回耦合器處匯合發(fā)生干涉，調(diào)節(jié)壓電陶瓷控制參數(shù)使兩路信號(hào)頻率一致，再通過信號(hào)處理即可得到被測波長值，結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。這種結(jié)構(gòu)的解調(diào)方案能進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量，精度較高、體積小、測量速度也比較快但是受環(huán)境影響也比較大。

1.1.2非平衡 Mach-Zehnder干涉法

非平衡Mach-Zehnder干涉法的基本原理是通過干涉儀將光柵波長偏移量轉(zhuǎn)化為兩束光的相位變差化：ΔΦ(λ)=-2πndΔλλ2，通過檢測干涉儀的相位輸出信號(hào)就可以得到光柵的波長變化信息，其結(jié)構(gòu)如圖2所示[5]。這種解調(diào)方式分辨率高，但卻受環(huán)境影響較大，不適用于靜態(tài)測量。

1.1.3Sagnac干涉儀法

2001年，高雙折射光纖環(huán)境首先被韓國國立大學(xué)用于光纖光柵解調(diào)領(lǐng)域，其工作原理是利用Sagnac效應(yīng)構(gòu)成干涉儀，光被傳感光柵反射后經(jīng)耦合器分成兩束大小相等但方向相反的光在光纖環(huán)中傳播，然后再耦合器處發(fā)生干涉，產(chǎn)生與波長相關(guān)的相位差，從而實(shí)現(xiàn)波長解調(diào)，這種解調(diào)方法的分辨率和穩(wěn)定性都不錯(cuò)[6]。2010年，王葵如等在此基礎(chǔ)上提出了利用光纖偏振分束器和保偏光纖構(gòu)成干涉解調(diào)，簡化了解調(diào)結(jié)構(gòu)，其波長分辨率和測量精度均達(dá)到了1 pm以下，而且還減小了環(huán)境對(duì)干涉解調(diào)方案的影響見圖3。

1.2　色散法

色散解調(diào)法由Askins C G等人于1995年提出，其工作原理是不同波長的光經(jīng)傳感色散光柵衍射后形成不同的衍射角，再由電荷耦合器CCD接收，則耦合位置會(huì)隨波長偏移量的變化而線性變化。2016李政穎等人提出利用普通單模光纖和色散補(bǔ)償光纖的正負(fù)色散特性實(shí)現(xiàn)全光纖解調(diào)結(jié)構(gòu)[7]，其原理如圖4所示，其特點(diǎn)是速度快、精度高，適于分布式傳感系統(tǒng)的高速測量，但是系統(tǒng)的波長分辨力受多個(gè)因素的影響。

1.3　衍射法

2011年馮忠偉等人提出的基于衍射光柵的光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示[8]，寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)傳感光柵反射后射到準(zhǔn)直鏡上形成平行光，再經(jīng)過兩塊衍射光柵后按一定角度展開并被柱面反射鏡匯聚在線陣探測器上，形成高斯型的空間光強(qiáng)分布，再結(jié)合高斯多項(xiàng)式擬合即可得到被測波長這種結(jié)構(gòu)的波長解調(diào)精度較高和穩(wěn)定性也不錯(cuò)，但是同樣對(duì)光波分辨率的影響因素比較多，易受溫度影響，不利于應(yīng)用。

1.4　濾波解調(diào)法

濾波法又可細(xì)分為邊緣濾波法、可調(diào)諧濾波器法、可調(diào)諧波長光源法。

1.4.1邊緣濾波解調(diào)方法

邊緣濾波解調(diào)法是利用某些濾波器輸出光強(qiáng)的變化量與波長漂移量成正比的特性來對(duì)光纖光柵傳感器進(jìn)行解調(diào)的。將從傳感光柵反射回的包含波長調(diào)制信息的光信號(hào)分成兩束分別送到兩個(gè)不平衡的濾波器中，經(jīng)濾波器后兩光強(qiáng)相除即可得波長移位信息?？捎米鬟吘墳V波器的光學(xué)器件有很多，常用的有體濾波器、波分復(fù)用器、長周期光纖光柵、非對(duì)稱可調(diào)諧F-P濾波器、陣列波導(dǎo)光柵等。

最初的邊緣濾波器是1992年Melle提出的采用體濾波器作為線性邊緣解調(diào)元件，成本較低，有較好的線性輸出，但受體積光學(xué)濾波元件的影響，分辨率低，穩(wěn)定性差。1994年Davis和Kersey用WDM替換體濾波器，提供了一種全光纖傳感解調(diào)系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的分辨率，但WDM具有偏振性，為此2005年，田珂珂在基于WDM的邊緣濾波解調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)偏振控制器，用于控制輸入光的偏振狀態(tài)，有效地提高了系統(tǒng)的解調(diào)精度，改系統(tǒng)的波長分辨率為0.01 nm，波長解調(diào)范圍為10 nm。

2006年武漢理工大學(xué)的范典等人提出了使用兩個(gè)濾波器的雙邊緣濾波法，其系統(tǒng)裝置如圖6所示。當(dāng)載有傳感信息的FBG反射波長通過光分路器進(jìn)入2個(gè)濾波器時(shí)，理論上輸出光譜等于輸入光譜和所通過信道特征的卷積，用光電二極管檢測出光強(qiáng)，再經(jīng)過除法器和對(duì)數(shù)器可得一個(gè)函數(shù)，根據(jù)理論分析可確定和的線性關(guān)系，通過后期的數(shù)據(jù)處理即可得到所需波長值。

承德石油高等?？茖W(xué)校楊洋等人指出雙邊緣解調(diào)系統(tǒng)將雙輸出信號(hào)的差與信號(hào)的和的比值作為波長調(diào)制函數(shù)，有效減小了光源波動(dòng)和光纖鏈路對(duì)光信號(hào)強(qiáng)度的影響，實(shí)現(xiàn)了波長靈敏度和波長測量的動(dòng)態(tài)范圍同步增大，有效提高了系統(tǒng)的測量精度[9]。2016年楊洋等人還提出了利用密集波分復(fù)用器(DWDM)作為解調(diào)核心元件的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖7所示，其基本原理是傳感光柵的反射光經(jīng)DWDM后出射光形成高斯分布包絡(luò)曲線，再經(jīng)高斯多項(xiàng)式尋峰算法即可得到被測波長[10]。這種解調(diào)方式為全光纖解調(diào)結(jié)構(gòu)，不需要電信號(hào)，結(jié)構(gòu)簡單且不需要溫補(bǔ)，適合于多種場合，但是引用誤差略大。

以上方法多用于單點(diǎn)光纖光柵的邊緣解調(diào)，對(duì)于分布式光纖光柵的邊緣解調(diào)，可采用陣列波導(dǎo)光柵。其原理是陣列波導(dǎo)光柵相鄰?fù)ǖ缽?qiáng)度比值對(duì)數(shù)與光纖布拉格波長在高斯近似下呈線性關(guān)系，系統(tǒng)波長靈敏度有陣列波導(dǎo)光柵信道間隔、FWHM(半高全寬)和光纖光柵的FWHM共同決定。2008年黃景堂等人提出了一種基于陣列波導(dǎo)光柵雙通道強(qiáng)度解調(diào)技術(shù)的準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵高精度的傳感器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8 所示，其波長和溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為2 pm和0.2℃。

1.4.2匹配光纖光柵法

匹配光纖光柵濾波解調(diào)法既適用于單點(diǎn)匹配解調(diào)，又適用于分布式光柵傳感系統(tǒng)，分為反射型和透射型兩種，透射型的工作原理是各匹配光柵由不同的PZT進(jìn)行獨(dú)立的波長調(diào)諧，串聯(lián)成濾波光柵陣列，信號(hào)進(jìn)入該陣列后由同一個(gè)探測器接收透射光，依次對(duì)各匹配光柵進(jìn)行單獨(dú)調(diào)諧，此方法比反射式系統(tǒng)有更高的光利用率，分辨率可達(dá)0.1με，但使用多個(gè)PZT跟蹤控制較復(fù)雜，線性誤差較大，且存在雙值問題，為此，2004年詹亞歌等人提出了用并聯(lián)匹配光柵的方式增大了測量范圍，其結(jié)構(gòu)如圖9所示，優(yōu)化了測量結(jié)果，并且消除了雙值問題，但這種方法響應(yīng)速度有限，只適用于測量靜態(tài)或低頻變化的物理量[11]。

1.4.3可調(diào)諧濾波器法

利用掃描光濾波器，如聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF)、可調(diào)諧Fabry-Perot、可調(diào)諧Bragg光柵濾波器、光纖梳狀濾波器等，可跟蹤傳感光柵的變化。

1993年Xu等人建立了一個(gè)基于可調(diào)諧聲光濾波器的解調(diào)系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中，通過對(duì)RF頻率抖動(dòng)和探測到的信號(hào)幅度調(diào)制狀況給出一個(gè)反饋信號(hào)，可以使濾波器的平均波長值鎖定FBG的瞬時(shí)波長值，當(dāng)兩個(gè)數(shù)值一樣時(shí)，幅度調(diào)制為0，由具有低頻方波信號(hào)的VCO疊加一個(gè)直流分量信號(hào)來調(diào)制平均頻率，這也是調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的方法，這種系統(tǒng)所使用的濾波器帶寬一般為幾個(gè)納米，所以分辨率不高。但是Dunphy等人利用帶寬為0.2 nm和工作波長范圍約為120 nm的聲光濾波器得到了小于1 pm的高分辨率，但是這種系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。

可調(diào)諧F-P濾波法由A.D.Kersey等人與1993年提出，對(duì)單個(gè)光柵采用閉環(huán)模式，對(duì)于復(fù)用光柵采用掃描模式，各傳感光柵的反射光經(jīng)耦合器送到工作在掃描狀態(tài)的可調(diào)諧F-P 濾波器中。鋸齒波掃描電壓調(diào)節(jié)濾波器中的壓電元件，調(diào)節(jié)濾波器腔長使其窄線寬通帶在一定范圍內(nèi)掃描，當(dāng)濾波器的透射波長與傳感光柵的Bragg波長相匹配時(shí)，允許傳感光柵的反射光通過，根據(jù)F-P濾波器的驅(qū)動(dòng)電壓與透射波長的關(guān)系來缺點(diǎn)FBG反射峰位置。參考光柵的設(shè)置可以消除溫度對(duì)F-P腔長漂移的影響。

可調(diào)諧濾波器的優(yōu)點(diǎn)是工作范圍大，測量精度高，可大大提高FBG的復(fù)用個(gè)數(shù)，缺點(diǎn)是光纖端面的反射層和兩個(gè)端面的對(duì)準(zhǔn)要求較高測量重復(fù)性較差，濾波損耗較大，成本較高。為此，有研究人員于2013年提出了另一種可調(diào)光纖F-P腔解調(diào)法。在寬帶光源輸出的寬帶光經(jīng)過光纖F-P腔后再入射到傳感光柵中，光纖光柵反射回來的信號(hào)譜再經(jīng)環(huán)形器進(jìn)入光電探測器。這類方法中寬帶光源和可調(diào)諧光纖Fabry-Perot濾波器的組合具有類似窄線寬可調(diào)激光器的功能，雖然相比可調(diào)準(zhǔn)帶光源法精度有所降低，但是解調(diào)速度明顯提高，而且成本也降低了[12]。

為了提高解調(diào)精度和解調(diào)速度，有人提出了一種基于光纖梳狀濾波器的波長解調(diào)系統(tǒng)[13]，如圖10所示，其原理與可調(diào)F-P濾波法的原理類似，只是提供參考點(diǎn)的不再是參考光柵陣列而是光纖梳狀濾波器，從而有更多的參考點(diǎn)對(duì)光纖光柵Bragg中心波長進(jìn)行標(biāo)定，選取適當(dāng)?shù)乃惴?，就可以大大提高波長解調(diào)精度，采用拉格朗日及牛頓插值算法都達(dá)到了±1～±5 pm，波長的均方誤差小于4 pm。

1.4.4可調(diào)諧波長光源法

可調(diào)諧波長光源法的原理是用可調(diào)諧窄帶激光器代替寬帶光源，窄帶可調(diào)諧光輸入光纖光柵，并周期性地掃描其輸出波長以獲取光纖光柵的反射譜，由每次掃描反射光最強(qiáng)時(shí)的掃描電壓可得相應(yīng)的波長值。

這種方法可以獲得很高的信噪比和分辨率，但這種光源價(jià)格較高且掃描速度慢。2006年，南開大學(xué)提出了一種將可調(diào)諧F-P窄帶濾波器作為核心解調(diào)器件，同時(shí)利用H13CN氣體的吸收光譜作為標(biāo)準(zhǔn)波長對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正的光纖光柵傳感系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)在1550 nm波段的波長測量范圍達(dá)40 nm，波長測量精度為1.3 pm。

2009年3月武漢理工大學(xué)的研究人員提出用寬帶光源和波長選擇器(IPD)構(gòu)成可調(diào)諧窄帶光源來代替價(jià)格昂貴的窄帶激光器[11]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11所示，該系統(tǒng)通過動(dòng)態(tài)掃描，實(shí)現(xiàn)多通道分布式解調(diào)，不僅降低了光濾波處理器件的成本，同時(shí)又保證了系統(tǒng)較高的性能指標(biāo)，其測量范圍可達(dá)30 nm，波長分辨率達(dá)到1 pm，測量精度為±5 pm，掃描頻率為1 Hz。

總體而言，這幾種濾波解調(diào)方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)照見表1。

表1　濾波解調(diào)方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)照表

2　結(jié)論

現(xiàn)有的光纖光柵解調(diào)產(chǎn)品由于價(jià)格昂貴、體積大，很難廣泛應(yīng)用，因此光纖光柵傳感器實(shí)用化的關(guān)鍵是降低成本，提高精度，開發(fā)微型化、模塊化、適合工程實(shí)際應(yīng)用的傳感解調(diào)系統(tǒng)。本文根據(jù)解調(diào)原理將現(xiàn)有的解調(diào)方法分為：干涉法、色散法、衍射法和濾波法，并重點(diǎn)分析了濾波解調(diào)法。在簡單對(duì)比分析了各種方法的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)后，認(rèn)為理想的解調(diào)方法一般應(yīng)達(dá)到以下幾點(diǎn)要求：

1)受環(huán)境影響下，測量范圍大，分辨率高；2)結(jié)構(gòu)精簡，成本低；3)復(fù)用性好，能進(jìn)行分布式檢測。4)能做到實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸。然而，到目前為止，還沒有一種解調(diào)系統(tǒng)能同時(shí)滿足這些條件，因此，廣大研究人員仍需努力研究出一種既能滿足高分辨率、動(dòng)、靜結(jié)合又能多點(diǎn)復(fù)用且成本較低的解調(diào)方案。

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