（测试计量技术及仪器专业论文）基于可调谐法布里—珀罗滤波器的光纤光栅解调技术研究.pdf

摘要 基于可调谐法布里一珀罗滤波器的 光纤光栅解调技术研究 摘要 光纤光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 是近几年发展最为迅速的光纤无源器 件之一。光纤光栅作为传感元件具有其它传感器无可比拟的优点。f b g 传感器 结构紧凑，易于集成和埋覆测量，对传感信息采用本征性波长编码，免受电磁 噪声和光强波动的干扰，并且便于采用复用( 波分、时分、空分) 技术实现对多 种传感量( 应力、温度等) 的准分布式多点测量，在民用、航空、船舶、电力和 石油等领域的安全监测方面有着广泛的应用前景。目前，f b g 传感解调的方法 和装置包括非平衡马赫一曾德干涉仪法、边缘滤波器法、匹配f b g 滤波器法 和可调谐法布里一珀罗( f a b r y p e r o t ，f p ) 滤波器法等。其中，可调谐f p 滤波 器法通过微驱动器调谐腔长扫描传感f b g ，具有灵敏度高、调谐范围大等优点 更适用于多点扫描。因此本文对可调谐f p 滤波器解调方法进行了较为深入的 研究。 本文研究了端面光吸收损耗，有限多光束干涉及反射平板不平行对f p 滤 波器光学性能的影响，提出了可调谐f p 滤波器的参数范围和设计要求。通过 仿真实验设计了基于磁场梯度力的微位移驱动器和基于电场力的微位移驱动 器。分析了基于超磁致伸缩材料( g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ，g m m ) 和基于 压电陶瓷( p i e z o e l e c t r i c ，p z t ) 微位移驱动技术的特点，确定了微位移驱动方 案。设计了一种可调谐f p 滤波器结构，利用该结构能够实现对f b g 传感器 的解调功能。为了消除可调谐f p 滤波器腔长随温度漂移的影响，降低系统复 杂性，通过有限元方法对可调谐f p 滤波器结构的温度稳定性进行了研究。首 先通过实验测得可调谐f p 滤波器结构的温度一腔长变化曲线，与有限元分析 软件仿真得到的温度一腔长变化曲线对比确定了有限元模型和有限元计算方法 的可行性，然后建立了基于复合结构( 因瓦合金、碳钢) 的低温度漂移有限元模 型，应用低热膨胀系数的因瓦合金补偿了p z t 模块的热膨胀差异。仿真研究 表明，复合结构消除了温度漂移现象。 哈尔滨理t 大学丁学博f j 学位论文 为了准确测定解调系统输出信号的峰值发生时间，需要滤除噪声，恢复输 出信号，因此对信号重建算法进行了研究。通过对系统输出信号的频谱分析， 确定了噪声的频率范围，设计了基于凯泽窗的数字低通滤波器。针对低通滤波 后依然存在噪声导致信号失真的问题，根据f b g 的反射谱特性对信号进行了 局部高斯拟合，保证了求取峰值时间的准确性。 分析了串联型和并联型的实时校正方案，选择并完善了并联型方案。最后 设计了一种基于可调谐f p 滤波器的多点f b g 解调系统，此系统根据4 8 个参 考点采用快速分段算法确定p z t 驱动电压一波长函数，使用此函数实时校正 微驱动器件的非线性误差以及可调谐f p 滤波器的结构性误差，从而能够提高 系统的测量精度。此外，设计了以现场可编程门阵y i j ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，f p g a ) 为核心的后续电路单元，将解调系统的控制、滤波计算和数据压 缩等电路集成在f p g a 芯片内部，保证了系统的实时性。 关键词法布里一珀罗滤波器；光纤光栅传感器；解调；数字信号处理 a b s t r a c t r e s e a r c ho nf b gd e m o d u l a t i o n t e c h n o l o g yb a s e do nat u n a b l e f a b r y _ p e r o ti n t e r f e r o m e t e r a b s t r a c t f i b e rb r a g gg r a t i n g sa r eo n et y p eo fd e v e l o p i n gf a s tp a s s i v ef i b e rd e v i c e si n r e c e n ty e a r s a ss e n s i n ge l e m e n t ，t h e ye n c o d et h es e n s i n gi n f o r m a t i o ni na w a v e l e n g t hf o r m ，w h i c ha r et h e i rd i s t i n g u i s h e da d v a n t a g e so v e ro t h e rt r a n s d u c e r s f b gs e n s o r sh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m p a c ts t r u c t u r e ，e a s yt oi n t e g r a t ea n d b u r y a l s ot h e ya r em o d u l a t e db yw a v e l e n g t ha n di m m u n et oe l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ea n dl i g h t i n t e n s i t yf l u c t u a t i o n m u l t i - s e n s i n g l i k es t r e s sa n d t e m p e r a t u r es e n s i n ga r ea c h i e v e db y w a v e l e n g t h ，t i m ea n ds p a c e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g i e s f b gs e n s o r sa r em a i n l ya p p l i e di nt h ef i e l d so f c i v i l i a n ，a v i a t i o n ，s h i p ，e l e c t r i cp o w e ra n dp e t r o l e u m m a n yd e m o d u l a t i o n t e c h n i q u e sa n dm e t h o d sf o rf b gs e n s o r sh a v eb e e nr e p o r t e ds u c ha st h ef i b e r u n b a l a n c e dm a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ，e d g e f i l t e r s ，a n d m a t c h e df i b r e g r a t i n g sf i l t e r sa n dt u n a b l ef i b e rf a b r y p e r o t ( f p ) i n t e r f e r o m c t e r d u et ot h e a d v a n t a g e so fh i g hs e n s i t i v i t y , w i d et u n a b l er a n g e ，t h ef i b e rf - pi n t e r f e r o m e t e r d e m o d u l a t i o nu s e sm i c r o d r i v i n gd e v i c et oc h a n g et h em i c r o c a v i t yf o rs c a n n i n g s p e c t r u mo ft h ef b g s ，w h i c hi sm o r es u t a b l ef o rm u l t i - p o i n td e m o d u l a t i n g t h e r e f o r e ，af b gd e m o d u l a t i o nm e t h o db a s e d o nt h et u n a b l ef i b e rf - p i n t e r f e r o m e t e ri sd e e p l ys t u d i e d a b s o r p t i o nl o s s i nt h ef i b e ri n t e r f a c e s ，e f f e c t so ft h ef i n i t em u l t i - b e a m i n t e r f e r e n c ea n dt h eu n p a r a l l e l e dr e f l e c t i o np l a t e so nt h ef - pi n t e r f e r o m e t e r p e r f o r m a n c ea r eg i v e nh e r e t h e nt h ep a r a m e t e r sa n dd e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h e t u n a b l ef pi n t e r f e r o m e t e ra r ep r e s e n t e d ad r i v e rb a s e do ng r a d i e n tm a g n e t i c f i e l df o r c ea n dad r i v e rb a s e do ne l e c t r i cf i e l df o r c ea r ed e s i g n e db ys i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s t h em i c r o - d i s p l a c e m e n td r i v e ri sd e s i g n e do nt h eb a s eo fa n a l y z i n g i i i 哈尔滨理丁人学t 学博f j 学位论文 t h ef e a t u r e so fg i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ( g m m ) a n dp i e z o e l e c t r i c ( p z t ) m i c r o d i s p l a c e m e n td r i v e r s i nt h i st h e s i s ，at u n a b l ef pi n t e r f e r o m e t e rs t r u c t u r e i sd e s i g n e dt od e m o d u l a t ef b gs e n s o r s a i ma tk e e p i n gt h et e m p e r a t u r es t a b i l i t y o ft h ef - pm i c r o c a v i t yl e n g t ha n dd e c r e a s i n gt h es y s t e mc o m p l e x i t y , a nf p i n t e r f e r o m e t e rs t r u c t u r ew i t hl o wt e m p e r a t u r ed r i f ti ss t u d i e db y u s i n gt h e a n s y s s o f t w a r e f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t s ，t h et e m p e r a t u r e - l e n g t h c u r v eo ft h ef - pm i c r o c a v i t yi sb u i l t t h ef e a s i b i l i t ya n dc o r r e c t n e s so ft h ef i n i t e e l e m e n tm o d e l i n gs i m u l a t i o na r ev e r i f i e db yc o n t r a s t i n gt h ee x p e r i m e n t sa n d s i m u l a t i o nc u r v e s t h e nan e ws t r u c t u r eo fl o w t e m p e r a t u r e d r i f tf p i n t e r f e r o m e t e ri sd e s i g n e db yu s i n gt h ec o m p o s i t em a t e r i a l s ( i n v a ra l l o ya n d c a r b o ns t e e l ) ，w h i c hc o m p e n s a t et h et h e r m a le x p a n s i o nd i f f e r e n c e so ft h ep z t m o d u l e s i m u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h a t t h ec o m p o s i t es t r u c t u r e se l i m i n a t et h e t e m p e r a t u r e d r i f t s i no r d e rt o g e tt h e a c c u r a t et i m eo ft h eo u t p u t s i g n a lp e a ko ft h e d e m o d u l a t i o ns y s t e m ，s i g n a lr e c o n s t r a c t i n ga r i t h m e t i c sa r ep r e s e n t e dt of i l t e rt h e n o i s e s b ya n a l y z i n gt h ef r e q u e n c ys p e c t r u mo ft h eo u t p u ts i g n a l ，w eg e tt h e f r e q u e n c yr a n g eo fn o i s e sa n dd e s i g n al o w p a s sd i g i t a lf i l t e r u s i n gk a i s e r w i n d o w b e c a u s et h el o w - p a s sd i g i t a lf i l t e rc a n tf i l t e rt h en o i s ec o m p l e t e l y , l o c a l g a u s s i a n f i t t i n g f i l t e ri s d e s i g n e da c c o r d i n g t ot h e s p e c t r a l r e f l e c t i v e c h a r a c t e r i s t i c so ff b g s e r i e sa n dp a r a l l e lc o r r e c t i o nm e t h o d sa r ea n a l y z e d ，a n dw ec h o o s ea n d i m p r v o v et h ep a r a l l e lo n e am u l t i p o i n tf b g s e n s o rd e m o d u l a t i o ns y s t e mb a s e d o nt h et u n a b l ef - pi n t e r f e r o m e t e ri sb u i l t 。t h ep z t d r i v i n gv o l t a g e w a v e l e n g t h f u n c t i o ni sb u i l ta c c o r d i n gt ot h e4 8r e f e r e n c ep o i n t su s i n gf a s tm e t h o d t h i s s y s t e mc a nc a l i b r a t et h en o n l i n e a rp r o b l e m so ft h em i c r o - d i s p l a c e m e n td r i v e ra n d t h es t r u c t u r a le r r o r so ft u n a b l ef - pi n t e r f e r o m e t e ri nr e a l - t i m e ，t h a ti st os a y ，t h e m e a s u r e m e n tp r e c i s i o ni s i m p r o v e d f u r t h e r m o r e ，c i r c u i t sb yu s i n g f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) a sc o r ed e v i c ea r ed e s i g n e d ，w h i c hi n t e g r a t e s c o n t r o lc i r c u i t s ，d a t ac o m p r e s s i o nc i r c u i t sa n df i l t e rc i r c u i t si no n ef p g ac h i p a n de n s u r e st h es y s t e mw o r ki nr e a l t i m e k e y w o r d sf a b r y p e r o ti n t e r f e r o m e t e r ，f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r , d e m o d u l a t i o n ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 哈尔滨理工大学博士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文基于可调谐法布罩一珀罗 滤波器的光纤光栅解调技术研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大 学攻读博士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中 除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做 出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完 全由本人承担。 作者签名：厅峙 同期娜年m 仰同 哈尔滨理工大学博士学位论文实用授权书 基于可调谐法布罩一珀罗滤波器的光纤光栅解调技术研究系本人在 哈尔滨理工大学攻读博士学位期间在导师指导下完成的博士学位论文。本论 文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的 名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。 本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可 以公佰论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保椰。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：蚕奴峄 同期：2 。可年z 月z 同 n j 导师签名：兰皇骘 同期：z 。? 年、。月w 同 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 近三十年来光纤传感器得到了长足的发展，通常测量温度n 1 、应变心1 和 压力鸭1 信号。此外光纤传感器还能测量电流h 1 、电压嗡1 、化学量1 、振动量 ( 加速度) 盯1 、位移量和生物信息等| 8 1 。在各种光纤传感器中，光纤光栅( f i b e r b r a g gg r a t i n g ，f b g ) 传感器是近年来的研究热点，f b g 传感器的出现，使 许多复杂的全光通信和传感网络成为可能，极大地拓宽了光纤技术的应用范 围| 9 1 。基于f b g 的传感器，其传感过程是通过外界参量( 应变、温度等) 对 f b g 中心波长的调制来实现的，属于波长调制型光纤传感器。f b g 传感器 除了具备光纤传感器的各种优点外仉儿1 2 f 1 3 1 ，还有以下的独特优点： ( 1 ) f b g 的波长调制特性排除了各种光强起伏引起的干扰，因而基于 f b g 的传感系统具有很高的可靠性和稳定性； ( 2 ) f b g 的白参考特性使得它可用于对外界参量的绝对测量； ( 3 ) 多个f b g 传感器可写入同一根光纤中，便于构成各种形式的光纤传 感网络。 f b g 走向实际应用的关键技术是f b g 波长解调技术。由f b g 构成的 传感系统，传感量主要是以波长的微小漂移作为调制信号，所以传感系统中 应有精密的波长或者波长变化的检测装置。对于f b g 的理论分析与实验研 究表明，f b g 的温度和应变灵敏度很小。例如，在f b g 反射中心波长为 1 5 0 0 n m 时，典型的温度灵敏度为1 l p m 。c 。为了达到1 的测量精度，对于 中一t 5 波长的测量精度应优于1 0 p m 的量级。可见波长解调器的测量精度直接 限制了整个系统的检测精度，这也是波长解调技术被视为f b g 传感关键技 术的原因。 根据f b g 信息波长编码、全光纤设计等特点，针对不同的测试对象， 人们提出了各种解调方法n 毛1 6 ，1 7 1 8 1 。从系统结构和检测手段考虑，可以归纳 为3 种：窄带激光扫描；宽带光源配合窄带滤波扫描；参量转化解调。以传 感信号的时间响应角度可分为动态、静态( 准静态) 和静态与动态结合三类。 以待测传感f b g 所处的激励状态可分为，无源解调和有源解调。以解调系 统的机理可分为滤波法和干涉法。常用的滤波法有匹配f b g 法、可调谐法 哈尔滨理t 大学t 学博i ：学位论文 布里一珀罗( f a b r y p e r o t ，f - p ) 滤波器法和边缘滤波法等9 2 0 川。 无论采用哪种解调方法都应该使f b g 解调系统具有更高的分辨力、更 高的测量准确度和更强的实用性。这三点要求也是解调系统能否得到推广的 关键。目前f b g 传感器在各个领域已经得到了广泛的应用，研究出一种成 本不高、性能稳定的f b g 解调系统具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状及分析 1 2 1f b g 传感器发展概况 1 9 7 8 年，加拿大的k o h i l l 等他2 1 人在实验中观察到氖离子激光在光纤 中相向传输并形成驻波，形成折射率周期分布的光栅，称为“h i l l 光栅”。这 种光栅在光纤中起到布喇格反射器的作用，它可以将满足布喇格条件的前向 传输光变作反向传输光，其反射率在长时间光照达到饱和时可达到1 0 0 ， 带宽很窄的反射光波长与光栅栅格常数和折射率有关。光照除去后，光栅还 存在。1 9 8 9 年，美国的m e l t z 等托3 发明了紫外侧写入技术，他们利用两束 干涉的紫外光从光纤的侧面写入了光栅。这项技术不仅大大提高了光栅的写 入效率，而且可以通过改变两束相干光的夹角达到控制布喇格波长的目的。 紫外侧写入技术问世后世界各国对f b g 及其应用研究迅速丌展起来，f b g 的制作及光纤光敏化技术不断发展。1 9 9 3 年，k o h i l l 等幢引提出了位相掩模 写入技术，利用紫外激光经过位相掩模衍射后的士l 级衍射光形成的干涉条 纹对光纤曝光写入f b g 。此技术的提出极大地放宽了对写入光源相干性的 要求，使得f b g 的制作更加容易，并使得f b g 的批量生产成为可能。同 年，p j l e m a i r e 等心5 1 提出了一种提高光纤敏感性的简单有效方法，即低温 高压载氢技术。他们将光纤浸入2 0 7 5 0 个大气压、2 0 7 5 的氢气中使得 氢分子充分扩散进入光纤纤芯内部。然后再用紫外光写入f b g ，这样可以 使光纤敏感性提高近两个数量级。载氢技术极大地降低了f b g 的制作成 本，人们可以不使用价格昂贵的高浓度掺锗光纤，在普通通信光纤上就可以 很容易地制出高反射率的f b g 。 由于f b g 中心波长受外界应力和温度的影响，因此f b g 传感器的测量 领域以温度幢凯2 l2 8 】和应力【29 3 0 3 1 3 2 1 为主，或将被测物理量转化为温度或应力再 通过f b g 传感器进行测量b 3 3 4 35 1 。美国布朗大学的m e n d e z 等首先提出了把 光纤传感器用于混凝土结构的健康检测。在此之后，各个国家的研究人员也 第1 章绪论 对f b g 系统在土木工程中的应用做了大量的研究工作阳6 1 。1 9 9 7 年，在美国 俄亥俄州的巴特勒县建造了一座全复合材料的桥梁，埋入了f b g 应变传感 器，通过互联网有规律地监视桥梁的荷载响应和跟踪连接绳索的长期性能。 1 9 9 9 年，在美国新墨西哥l a s c r u c e s l 0 号州际高速公路的钢结构桥梁上，安 装了多达1 2 0 个f b g 传感器，创下当时在桥梁上使用f b g 传感器最多的记 录。2 0 0 2 年，瑞士的研究人员将f b g 传感器埋入混凝土，对混凝土断裂延 伸带的宽度进行了测量。2 0 0 2 年，f gt o m a s e l 等把f b g 用于钢缆的健康 检测，并进行了实验研究，实现了2 0 个点的分布式应变传感。德国西门子 公司把f b g 温度传感器安装在空冷发电机的转子绕组上，同时还安装了3 个电流传感器，大大节省了空间，降低了发电机成本。置于细钢管中的 f b g 传感器可用作海上钻探平台的管道或管子温度及延展测量的光缆。采 用f b g 传感系统可以对长距离油气管道实行分布式实时的在线监测b 引。 v v s p i r i n 等h 8 1 设计了一种用于漏油监测的f b g 传感器。他们将f b g 封装 在聚合物丁基合成橡胶中，这种聚合物具有良好的遇油膨胀特性，当管道或 储油罐漏油后，传感器被石油浸泡，聚合物膨胀拉伸f b g ，使f b g 中心波 长漂移，通过监测这个漂移达到报警目的。2 0 0 2 年，y o s h i y u k ik a j i ， y o s h i n o r im a t s u i 等引把f b g 压力传感器置于高放射性环境中测量应力，得 到了应力和温度的关系曲线。实验证明由于在反应堆内部和外部f b g 的温 度特性相同，用一根f b g 测量反应堆内部残余应力的方法是可行的。h o 等40 | 利用f b g 设计了一种测量系统，该系统可以对压力、应变、温度等静 态、动态物理量实现同时测量，可以用来研究非静态流体场中热量的传输问 题，也可以与波分复用等技术相结合应用在民用、航空结构健康监测和复合 材料检测等领域。 2 0 0 3 年，余有龙等把2 根f b g 粘贴在均质、等厚、等腰三角形悬臂 梁上下表面作为环形腔光纤激光器端镜，当机械振动激励自由端时，通过观 测激光输出脉冲，对施加于自由端的机械振动频率进行了实时监测。 2 0 0 4 年，y o j io k a b e 等2 】提出了一种用啁啾f b g 检测复合结构c f r p 中微裂缝的新方法。他们在两个0 0 层之间夹一个9 0 0 层，并在9 0 0 层和上面 的0 0 层之间粘贴啁啾光栅。材料中产生的裂缝( 在栅区内) 将释放残余应力， 改变光栅的栅格周期和有效折射率，从而在反射谱相应的位置出现凹陷。裂 缝和凹陷是一一对应的，因此，检测反射谱凹陷的波长就可以确定裂缝所在 的位置。g u a nb a i o u 等3 1 设计了一种基于f b g 的倾角传感器，不仅可以测 量倾斜角度的大小，还可以确定倾斜的方向。该传感器由4 根f b g 和1 个 哈尔演理t 人学下学博 ：学化论文 钟摆组成，通过测量相对的2 个f b g 中心波长的差，有效地消除了温度对 测量结果的影响。增加钟摆的质量或优化系统结构的其他参数可以提高测量 精度和分辨力。该方法原理简单、操作方便、精度高，但使用f b g 数目较 多。l oy u 1 u n g 等h4 1 提出了一种测量扭矩的f b g 传感系统。该系统采用高 双折射光纤传感探头，白光光源发出的光经3 d b 耦合器入射到高双折射 f b g ，反射的2 个波长的光再经3 d b 耦合器、偏振控制器进入扭转的高双 折射f b g 探头，再经偏振片送到光谱仪分析。由于输出2 个波长的光强的 比值与高双折射光纤探头的扭矩是一一对应的，因此求得这个比值就能得到 所测扭矩的大小，高双折射光纤对温度敏感，系统受环境温度影响较大。姜 德生等引采用机械限位原理，设计和组装了一种有保护装置的f b g 漏油传 感器。该传感器在检测过程中，通过限制敏感材料的膨胀长度能有效防止 f b g 因承受较大应力而断裂。董兴法等n6 | 提出了一种适用于建筑结构传感 的f b g 传感器，用细的不锈钢管匹配叠套方式保护f b g ，此传感器对应力 和温度响应具有良好的线性关系，分段封装f b g 使之具有双反射峰，通过 测量两反射峰的漂移能够消除温度交扰效应。 对于基于f b g 的电流传感器很多科研机构也进行了研究1 4 7 4 8 1 。2 0 0 6 年 熊燕玲等引建立了f b g 作为传感头的交流电流传感系统，用5 0 h z 交流信 号对系统进行实验验证，结果表明该系统能较好地检测出被测信号的幅值、 频率和相位，应用高阶方程组拟合具有磁滞线特性的系统传递函数，可实时 准确地重建被测电流波形。 1 2 2f b g 传感解调技术发展概况 f b g 的传感信息采用波长编码，检测f b g 中心波长是f b g 传感器实用 化面临的关键问题。f b g 波长编码的解调过程中，可以使用光谱仪，但是 由于光谱仪是通用光学仪器，并不仅限于f b g 波长解调，价格偏高，不适 用于普通用户，此外，用光谱仪无法直接获得所测参量的大小。迄今为止， 针对f b g 传感系统人们研究并提出了许多解调方法，它们各有其优缺点。 1 2 2 1 非平衡马赫一曾德干涉解调法非平衡马赫一曾德( m a c h z e h n d e r ， m z ) 干涉解调法是一种参量转化解调法，该方法将传感f b g 的波长偏移量 转化为相位变化量进行检测0 圳。 如图1 1 所示就是k e r s e ya d 2 】提出的非平衡干涉波长解调方法在 f b g 应力传感系统中的应用。宽带光源的光经耦合器进入f b g ，f b g 的反 第1 章绪论 射光先后经2 个3 d b 耦合器进入非平衡m z 干涉仪。通过光电探测器 ( p h o t o d e t e c t o r ，p d ) 检测非平衡m z 干涉仪输出光的相位变化妒，可解调 出f b g 中心波长的变化从6 ，妒和a 6 之间的关系可表示为： 伊= ( 2 翮a 名) 五。式中，玑d 和儿分别为光纤的折射率、干涉仪臂长差 和f b g 反射光的中心波长。黄冲等旧纠对非平衡m z 干涉仪进行了改进，介 绍了一种基于3 3 和2 2 光纤耦合器构成的非平衡m z 干涉仪的波长解 调方案。理论分析和数据对比表明，相对于由两个2 2 光纤耦合器构成的 m z 干涉仪，此干涉仪具有宽谱的灵敏度、能跟踪波长的变化方向和相位 展开的优点。李丽等珏4 1 根据非平衡m z 干涉解调系统的工作原理采用直流 相位跟踪零差法设计了一套f b g 解调系统，实验结果证明，该系统有良好 的动态性能，适合于精密测试中动态信号的检测。 图1 1 非平衡m z 干涉法单点解调原理图 f i g 1 1s i n g l ep o i n tf b gd e m o d u l a t i o np r i n c i p l ed i a g r a m w i t hu n b a l a n c e dm zi n t e r f e r o m e t e r w e i s 哺引对图1 1 进行改进，改进后的非平衡m z 干涉解调法也可以进 行多点f b g 解调，如图1 2 所示。宽带光源发出的光被调制成脉冲信号， 经过耦合器入射到f b g 阵列上，仍然是通过检测相位变化的方法解调f b g 中心波长。为保证各传感f b g 反射信号在输出端时域上可分离，光源脉冲 宽度必须等于或小于光在任意两个f b g 之间的来回时间，这样用时间门控 制输出就可按顺序检测每一个待测f b g 。 非平衡m z 干涉仪检测方法的最大优点是分辨力高，测量动态应变时 哈尔滨理t 人学t 学博 学位论丈 有很高的灵敏度，但进行静态测量时却要遇到很多问题。因为当信号频率与 随机相位噪声妒( 力可比拟时，妒( 力很难被抑制掉，原因在于环境因素的变化 也会导致光源的扰动并影响到相位的变化，不适合静态检测，稳定性差，并 且需要保偏光纤。 图1 2 非平衡m z 干涉法多点解调原理图 f i g 1 - 2m u l t i p o i n tf b gd e m o d u l a t i o np r i n c i p l ed i a g r a m w i t hu n b a l a n c e dm zi n t e r f e r o m e t e r 1 2 2 2 非平衡扫描迈克尔逊干涉解调法迈克尔逊( m i c h e l s o n ) 光纤干涉系统 是基于传统m i c h e l s o n 干涉原理制成的，它的两个干涉臂尾端带有铝膜反射 镜。来自传感f b g 的光进入非平衡扫描m i c h e l s o n 干涉仪，此干涉仪的短 臂缠绕在受锯齿波信号驱动的压电陶瓷( p i e z o e l e c t r i c ，p z t ) 上，输出信号经 p d 接收后变为电信号，电信号与p z t 的驱动信号和参考信号一起输入相位 计。调整驱动信号的幅值以及直流电平的大小，使干涉信号变化的频率与参 考信号的频率一致，此时相位计的显示值与施加在传感f b g 上的待测应变 大小有关，这是由于应变使得传感f b g 出现波长漂移，温度不变时相对漂 移量k 与轴向应变最成正比，则波长变化能够引起两臂间相位差的变 化，通过检测相位变化即可解调出f b g 的波长。 2 0 0 1 年余有龙等旧6 将时域地址查询和干涉解调技术结合起来，用非平 衡m i c h e l s o n 干涉仪对传感f b g 反射的脉冲信号进行解调，利用程控延时 开关选择被测信息并用单一信道输出，结合带通滤波技术，进行高分辨力传 感，实现了非平衡m i c h e l s o n 干涉仪的多点f b g 解调系统。解调原理如图 1 3 所示。 脉冲宽带信号经m 个f b g 反射后进入臂长差为l 的非平衡m i c h e l s o n 扫描干涉仪，通过程控开关控制第f 个f b g 的信号导通，其他信号均被阻 隔，滤掉载频信号，用相位计观测变化便可监测该f b g 的应变信息。 第1 章绪论 图1 3 非平衡m i c h e i s o n 干涉法多点解调原理图 f i g 1 3m u l t i p o i n tf b gd e m o d u l a t i o np r i n c i p l ed i a g r a mw i t h u n b a l a n c e dm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r 1 2 2 3 双折射光纤解调法s e u n g w o o 等旧7 f 提出了一种新颖的利用高双折射 光纤进行波长解调的解调方法。在该方案中，解调部分由一个偏振光束分光 计、一个偏振控制器和一个写制在高双折射光纤中的啁啾f b g 组成，该啁 啾f b g 的栅格周期是线性调制的，在入光的方向上由小到大。传感f b g 的 反射光进入解调系统后，先经偏振光束分光计被分成2 个偏振方向的光，一 部分送到p d ，另一部分则经过偏振控制器后被啁啾f b g 反射。由于不同波 长的光在啁啾f b g 中的反射位置不同，因此，它们在啁啾f b g 中的光程不 同，相位的改变也不同。啁啾f b g 的反射光再经偏振控制器入射到偏振光 束分光计中，被分成两部分，一部分与原来直接送到p d 的光偏振方向相 同，干涉后被p d 接收。这样，就使得接收到的光强和传感f b g 的中心波 长有关，达到解调的目的。该解调方案属于干涉解调，解调速度快，适合检 测静态、动态物理量，但是它与m z 干涉法解调方案一样，受环境温度变 化影响较大。 1 2 2 4 匹配f b g 可调滤波检测法匹配f b g 可调滤波检测是指对于传感阵 列中的每一个f b g ，在接收端都有一个特性完全一致的f b g 组成传感接收 匹配f b g 对，即相同应变和温度下两者的中心波长相同，通过接收f b g 就 可以了解传感f b g 的情况【5 刳。匹配f b g 可调滤波检测法的缺点是检测范围 小，不能实现多点f b g 解调，为此詹亚歌等| 5 引对匹配f b g 可调滤波检测法 进行了改进，利用两个或并联二次反射匹配f b g 的方法增大了可检测范 哈尔滨理t 大学丁学博 j 学位论文 围，同时补偿了光源干扰。翟玉锋等旧m6 在应用匹配f b g 可调滤波检测法 时采用一支微测力传感器作为解调系统的输出，消除了传统动态匹配光栅解 调系统中p z t 磁滞效应对测量结果的影响。 采用这种方案的时分复用传感系统如图1 4 所示，宽带光源调制为脉冲 信号，g l r 和g i s ，g 2 r 和g 2 s ，g 3 r 和g 3 s ，g 4 r 和g 4 s 都是匹配f b g 对。 宽带脉冲信号耦合进入传感阵列，各个f b g 反射信号又经过各耦合器送 到接收f b g 。接收f b g 都平行固定在同一p z t 上，当p z t 受线性或正弦扫 描电压驱动时，接收f b g 都发生周期应变，如果幅度足够大就能保证每个周 期罩各f b g 对匹配一次。如果某个接收f b g 与相应传感f b g 匹配，则会发 生强烈反射，从而相应p d 接受到较强的光信号。事先测定每个接收f b g 的 中心波长与电压关系就可确定相应传感f b g 的波长偏移。 g“(bu h【j 如 图1 4 反射式匹配f b g 解调系统 f i g 1 - 4r e f l e c t i n gd e m o d u l a t i o ns y s t e mu s i n gt h em a t c h i n gf b g s 这种检测方法避开了现场使用体积较大、价格昂贵的光谱分析仪，简单 灵巧，分辨力较高，可快速确定多点应变情况，尤其适用现场快速动态监 测。但是该方法的不足是：光信号传输中分路若太多，会使系统的信噪比下 降，而且每对f b g 都需要自己的p d ，增加了系统的复杂度。可以把接收 f b g 按顺序制作在同一根光纤上，这样只需要一个p d ，同时改进传统采用 的反射式结构，而采用图1 5 所示的透射式结构，这样可以减小光功率损 耗，提高系统的测量分辨力。 就反射方式而言，该方法结构简单，造价低廉，静态应变分辨力可达 0 4 p e ，动态应变( 大于3 h z ) 达0 0 1 n e h z ，但信号光经过多个耦合器进入解 调f b g ，导致系统信噪比降低。而透射方式信号光利用率高，分辨力达 0 1 p ，但多个p z t 使跟踪控制复杂，系统的非线性误差较大。 第l 章绪论 图1 - 5 透射式匹配f b g 解凋系统 f i g 1 - 5t r a n s m i s s i o nd e m o d u l a t i o ns y s t e mu s i n gt h em a t c h i n gf b g s 1 2 2 5 长周期f b g 解调法刘云启等6 2 1 设计了一种全光纤传感测试系统， 采用长周期f b g 作为相关滤波器，对f b g 的传感信息进行解调，结合信噪 比高的光电测量系统，传感测量的波长检测灵敏度为1 9 4 d b n m ，波长测量 分辨力为o 0 5 n m ，测量范围为4 n m 。长周期f b g 作为波长检测滤波器，其 自身性能的稳定对于传感系统的实际应用是至关重要的，由于长周期f b g 具有较高的温度和弯曲灵敏度，实际应用中必须采取适当的封装技术和温度 补偿技术，确保系统的稳定性。董兴法等旧3 1 利用长周期f b g 边沿滤波，提 出并实现了一种综合的f b g 传感快速解调方案。使用两根f b g 进行应变差 动传感，消除温度影响，不增加波长资源占用并使应变灵敏度得到了有效地 提高。 1 2 2 6 阵列波导光栅实现f b g 解调阵列波导光栅( a r r a y e d w a v e g u i d e g r a t i n g ，a w g ) 也是光通讯领域广泛应用的光学器件，中外许多学者都尝试 用a w g 实现f b g 波长解调，y a s u k a z us a n o 和t o s h i h i k oy