基于技术的光纤光栅传感系统研究最终版

1、Classified Index: TP212U.D.C: 621.38Southwest Jiaotong UniversityMaster Degree ThesisFIBER GRATING SENSOR SYSTEM BASEDON CDMA TECHNOLOGYGrade: 2012 Candidate: Hanbin ChenAcademic Degree Applied for: MasterSpeciality: Communication and Information System Supervisor: Zhiyong ZhangMay.2015西南交通大学使用书本作者完

2、全了解学校有关保留、使用的规定，同意学校保留并向有关部门或机构送交的复印件和，被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印保存和汇编本。本属于1，在年后适用本书；2不，使用本书。（请在以上方框内打“”）作者签名：指导签名：日期：日期：西南交通大学主要工作（贡献）本人在中所做的主要工作或贡献如下：1. 研究了基于 CDMA 技术的光纤光栅传感系统原理，采用格雷互补码的编码方案， 匹配光栅解调法和相关运算对传感信号进行解调。完成了光纤光栅传感解调系统的软件设计，包括 FPGA 软件设计、上位机软件设计等。2. 对基于 CDMA 技

3、术的光纤光栅传感系统原理进行了实验验证，进行了系统性能测试及温度传感实验，研究了格雷互补码的脉宽和码长对系统解调灵敏度和信噪比的影响。系统的实验结果表明，该方法可用于温度、应变传感领域。本人郑重：所呈交的，是在导师指导下进行研究工作所得的成果。除文中已经注明的内容外，本不包含任何其他个人或集体已经或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全了解上述所引起的一切法律责任将由本人承担。作者签名：日期：摘要光纤光栅传感器以其耐腐蚀、抗电磁干扰、易于组成光纤传感网络、波长编码等优点，在传感领域得到了广泛的应用。然而，常用的复用方式受到某些方面的限制， 如光源的

4、带宽、功率等，难以满足许多工程应用中需要多个传感器同时测量的要求。基于光信号码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）技术的光纤光栅传感方法不需要 F-P（Fabry-Perot）腔扫描，降低了系统成本；相对于单脉冲方式，连续编码光脉冲序列，通过相关运算对接收信号解调，可提高系统信噪比。在对国内外光纤光栅传感研究现状分析的基础上，本文对基于 CDMA 技术的光纤光栅传感方法进行了研究。首先简要分析了光纤光栅传感原理及其温度和应变传感特性，介绍了几种常用的复用和解调技术，重点研究了基于 CDMA 技术的光纤光栅传感原理。其次，基于 CDMA 技术的光纤光栅传

5、感原理，采用格雷互补码的编码方案，设计了系统光路方案、硬件与软件解调方案，完成了光纤光栅传感系统解调测试软件的开发，实现了光纤光栅传感实时解调。最后，搭建了系统实验平台，进行了系统性能测试、温度传感实验，并研究了编码长度和脉宽对系统解调灵敏度和信噪比的影响。实验结果表明，系统解调的灵敏度高，码间干扰小，测试结果重复性好。该方法在准分布式光纤光栅传感系统中具有潜在应用价值。：光纤传感；光纤光栅；编码；匹配光栅解调；格雷互补码AbstractFiber bragg grating (FBG) sensor is widely used in the field of sensing, for it

6、s corrosion, anti-electromagnetic interference, easy composition of distributed sensoring networks, wavelength coding etc. However, several sensors simultaneous working is necessary in many engineering applications and common multiplexing technology is limited by some cases like the bandwidth of las

7、er source and the power of laser source.The fiber grating sensoring system based on CDMA(Code Division Multiple Access) doesnt use FabryPerot filter for scanning wavelengths and reduces cost. The fiber gratingsensoring system sends coding sequences , utilizes correlation to demodulate and improvessi

8、gnal to noise ratio. A fiber grating sensoring system is investigated by usintechnology based on analyzing principle of demodulation technique for FBG.MAFirstly, the paper describes the principle of FBG sensor, the FBG sensing characteristics of temperature and strain and some kinds of demodulation

9、and multiplexing technologies. We investigate a FBG sensor network based on the code division multiple access (CDMA) technology.Secondly, we investigate a FBG sensor network based on the code division multiple access (CDMA) technology by using Golay complementary code. Meanwhile, a FBG sensing demod

10、ulation system and related software is developed to realize the real-time monitoring.Finally, to verify the performance and stability of the software system, an experiment about temperature sensing is conducted. Meanwhile, we investigate how the pulse width and c ength influences the sensitivity and

11、 SNR of the system. The experimental results show that the system has high sensitivity,good repeatability and low crosstalk. So it's of greatsignificance for quasi-distributed Fiber Bragg Grating sensing system.Keywords:opticalfibersensing;fiberBragggrating;code;matchedgratingsdemodulation ;Gola

12、y complementary codes目录摘要IABSTRACTII目录III第 1 章 绪论11.1 研究背景与目的11.2 国内外研究现状21.3 主要工作与结构安排31.3.1 本课题主要工作3结构安排31.3.2第 2 章 光纤光栅传感原理及复用解调技术52.1 光纤光栅传感器及其基本原理52.2 光纤光栅温度和应变传感原理62.2.1 光纤光栅温度传感原理62.2.2 光纤光栅应变传感原理72.3 光纤光栅传感复用技术82.3.1 波分复用技术92.3.2 时分复用技术92.3.3 空分复用技术102.4 光纤光栅传感解调技术112.4.1 可调谐光纤法布里-泊罗滤波器解调法11

13、2.4.2 边缘滤波解调法122.4.3 匹配光栅解调法132.5 本章小结16第 3 章 基于 CDMA 技术的 FBG 传感原理173.1 基于 CDMA 技术的 FBG 传感原理173.2 基于格雷互补码的编码方案183.2.1 格雷互补码特性183.2.2 格雷互补码的生成方法193.2.3 格雷互补码用于 FBG 传感网络的原理203.3 原理验证实验223.4 本章小结24第 4 章 光纤光栅传感系统254.1 系统方案设计与实现254.2 系统光路设计254.3 系统软件设计264.3.1 FPGA 软件设计264.3.2 上位机软件设计274.4 实验平台的搭建314.5 系统

14、性能测试334.5.1 系统测试334.5.2 编码脉冲宽度和码长对系统解调的影响354.6 本章小结38结论与展望39致谢40参考文献41的及专利46攻读学位期间第 1 章 绪论1.1 研究背景与目的光纤光栅（Fiber Bragg Grating ,FBG）传感技术是近些年来传感领域的主流发展方向之一，应用范围非常广泛。其特点是精度高、体积小、抗电磁干扰、准分布式测量、稳定性好和易与光纤耦合等。其主要应用领域包括：土木工程、航空航天、船舶航运、电力、核工业等领域1。在一根或多根光纤上写入多个光纤光栅，利用复用技术实现对应变、温度和振动等多参量测量的分布式传感。常见的光纤光栅复用技术有波分复

15、用、时分复用、空分复用技术，以及这几种复用方式的组合复用方法，其中，波分复用技术是最常用的。在波分复用系统中，各传感器中心波长不同，可充分利用光源功率。这种复用方式简单可行，各 FBG 的工作带宽互不重叠，避免了串音现象，信噪比高。但有限的光源带宽限制了复用传感器的数量2。在时分复用系统中，传感器可以工作在相同的波长范围， 不再受光源带宽的限制，较大地提高了传感器的复用能力和测量范围。光源发出的光信号经过多个波长相同的传感器后，光功率变得非常微弱，导致波长扫描器无法探测传感器反射回的光信号。因此，光源功率问题是限制传感器数量的主要因素3。此外，由于传感器工作在相同波长，时分复用系统还存在光栅之

16、间的串扰问题。这很难满足隧道、桥梁、构的要求4。、输油道和航空航天器等许多需要大量 FBG 监测的大型结光纤光栅传感器是以波长编码的方式进行信号传感，其波长解调就是对受到被测物理量调制的波长信号进 量，它是各种光纤光栅传感系统中关键的部分5。常见的解调方法有 F-P 腔扫描法，利用 F-P 腔的波长选择性来检测 FBG 的反射波长。该方法的优点是解调波长覆盖范围广，解调速度快。由于压电陶瓷 PZT （ piezoelectric transducer）调谐 F-P 腔腔长，系统检测灵敏度受 PZT 非线性和滞后性的影响。同时，精细度较高的 F-P 滤波器价格昂贵， 大大增加了系统成本6 。非平

17、衡 M-Z（Mach-Zehnder）仪解调法7-8，利用 M-Z仪两臂光程差，将光栅波长变化转换为对应的相位变化，从而在光强的变化上反映出波长的变化，实现了波长的解调。非平衡 M-Z法具有响应速度快、分辨率高的特点。但由于 M-Z仪两臂光程差受外界环境的影响较大，容易产生测量误差。同时，随机相移使得该方法局限于测量动态应变，不适用于静态量的测量。光纤光栅传感解调技术需要解决两个问题：光栅中心波长检测和寻址，主要的问题是：（1）光纤光栅传感网络的规模。随着光纤光栅传感网络复用传感器的增多，导致系统解调难度的增大。（2）实时检测问题。关键在于信号解调的速度，主要取决于传感网络的规模、网络的拓扑结

18、构及波长探测技术等。在光纤光栅传感技术工程应用方面，光纤光栅传感解调技术不仅要具有高灵敏度、操作简单、使用方便等特点， 更重要的是它能够实时显示检测目标参数的变化。为了增大光纤光栅传感网络的规模，复用的传感器，必须提高 FBG 网络的频带利用率。于是，采用 CDMA 技术与波分复用技术结合的密集波分复用系统受到了广泛的关注。在 FBG 传感系统中使用 CDMA 技术的优点在于：传感器反射信号的频谱相互重叠，甚至完全相同，从而缩短传感器之间的波长间隔，增强单光纤的复用能力。与此同时，采用 CDMA 技术，将不可避免的引入多址干扰（multiple access interference,MAI）

19、，即传感器间的串音。使用相关运算，可以有效抑制信道噪声和各传感器的串音，从而提高了系统信噪比9-10。因此，可实现大容量、抗噪性能好、可靠的光纤光栅传感系统。1.2 国内外研究现状国外对于基于 CDMA 技术的光纤光栅传感系统的研究起步较早，提出了多种方案并进行实验验证。1999 年，Koo11 等了一种基于 CDMA 技术的密集波分复用系统。在相邻传感器中心波长非常接近的情况下（ Dl =0.3nm），这种光源调制型复用方案依然可以从复和信号中分离出各个传感器信号，增大了系统复用容量。2002 年，Lee 使用 CDMA 技术，用伪随机比特序列(pseudo-random binary se

20、quence，PRBS)对光源进行调制，做了静态和动态应变实验，传感器间的串扰小于-30dB，系统的成本低，响应速度快12。2010 年，Jongkyung Ko、Youngbok Kim 等人基于 CDMA 技术，采用锁模激光器，增加扫描时间，降低了系统成本，抑制了传感器间的串扰13。2012 年，Youngbok Kim14等使用 PRBS 对光源进行调制，在接收端采用类型相同，频率不同的 PRBS 进行滑动相关运算；利用色散补偿光纤(dispersion compensation fiber，DCF)将光栅中心波长的漂移转换为相应的时延，从而不用考虑光栅之间的时延。这种方案可以复用传感器

21、，动态的进行解调，降低系统的复杂度。的国内进行基于 CDMA 技术的光纤光栅传感系统研究主要集中在高等院校，目前还主要是采用理论研究加分析的方式进行研究。浙江大学鲍吉龙15，理工大学祁耀斌16等在 FBG 传感网络复用技术研究中均有关于采用 CDMA 技术的密集波分复用系统的报导。2008 年，山东大学李东升博士采用码分多址方式的光纤光栅传感网络的相关研究，提出一种基于信号自相关原理的光纤光栅数字解调方法，提高了系统的实时响应能力和解调精度17。2010 年，西南交通大学张兆亭研究了基于 OCDMA 技术的光纤光栅传感网络18，采用格雷互补序列进行了实验，实现反射谱不同的光栅传感器同时解调，系

22、统信噪比，提升传感系统的性能。已报导的基于 CDMA 技术的光纤光栅传感系统中，绝大多数利用伪随机比特序列（PRBS）或 M 序列对光源调制，在接收端对复合信号进行相关运算来解调。但 PRBS和 M 序列的自相关性并不是最优的，会存在多址干扰(MAI)，MAI 造成的测量误差会随着传感器数量的增加而增大。因此，本的首要研究目的是提高光纤光栅解调系统的速度以及准确性，复用的串音。的传感器，提高系统的信噪比，抑制相邻传感器之间1.3 主要工作与结构安排1.3.1 本课题主要工作本课题主要工作包括理论研究、方案设计与实现和实验测试等方面。首先对光纤光栅传感原理和基于 CDMA 技术的光纤光栅传感原理

23、进行介绍；基于该原理，搭建实验平台，进行实验验证；然后设计系统方案，开发光纤光栅传感系统解调测试软件；最后对系统进行实验测试，验证了整个方案的可行性。1.3.2结构安排本文主要包括理论分析、系统设计及实验验证三个部分。在理论分析方面，阐述了光纤光栅传感原理及其温度和应变传感特性，并介绍了几种常用的复用和解调技术。重点分析了基于 CDMA 技术的光纤光栅传感原理。在系统设计方面，基于 CDMA 技术的光纤光栅传感原理，采用基于格雷互补码的编码方案，设计开发了光纤光栅传感系统解调测试软件。在实验验证方面，基于系统实验平台，进行了系统性能测试、温度传感实验，并研究了编码长度和脉宽对系统解调灵敏度和信

24、噪比的影响。各章节内容概述如下：第一章：绪论，介绍光纤光栅传感器的独特优势及其应用领域，分析光纤光栅传感系统复用与解调技术的优缺点并引出采用 CDMA 技术的光纤光栅传感网络；另外介绍了国内外 CDMA 技术应用于光纤光栅传感的发展现状，引出本课题的研究内容与方向。最后对本文的主要工作和章节内容做了简要概述。第二章：光纤光栅传感原理及复用解调技术，首先介绍光纤布拉格光栅传感的基本原理，研究光纤光栅温度和应变传感特性，还介绍了几种常用的复用技术及解调方法。第三章：基于 CDMA 技术的光纤光栅传感网络，首先介绍系统原理；然后对基于格雷互补码的编码方案进行了论证，主要介绍了格雷互补码的特性、端的编

25、码方法、接收端的方法；最后对系统原理进行了实验验证。第四章：光纤光栅传感系统，从方案设计、光路设计和软件设计等方面详细阐述了系统的设计思路，设计开发了基于 Visual Studio 2010 的上位机解调软件，实现了传感信息实时监测解调；搭建光纤光栅传感实验平台，进行了系统性能测试、温度传感实验，并研究了编码长度和脉宽对系统解调灵敏度和信噪比的影响，最后对实验测试结果进行分析，验证了整个系统的可行性。本的最后是结论、致谢、参考文献和攻读学位期间和专利。第 2 章 光纤光栅传感原理及复用解调技术光纤光栅是一种特殊的光纤结构，其实质是在纤芯中形成一个窄带的反射镜或滤波器19-24，通过探测波长的

26、漂移量来测量被测参数的变化。光纤光栅传感器不仅具有抗电磁干扰、不易腐蚀、灵敏度高、易于和光纤熔接等优点25，而且作为传感元件， 其感应的信息是以波长的形式来表征的，而波长不受光源输出功率变化及连接损耗的干扰。随着光纤光栅制作工艺的日益成熟，可以很容易在一根光纤中制作多个光栅， 作为分布式传感元件埋入材料和结构内部或贴在其表面，可实现同时测量应力、应变、温度等参量。本章将主要介绍光纤光栅传感原理，对光栅的温度和应变特性作简要分析，最后介绍了几种常见的复用和解调技术。2.1 光纤光栅传感器及其基本原理光纤光栅由于其自身优异的传感特性，近些年来备受广大开发者的青睐。1978 年K.O.Hill 等人

27、首次发现光纤的光敏特性，并采用驻波成世界上第一只光纤光栅26。随着光纤光栅的研究日趋深入，发现了越来越多的光纤光栅制造工艺，并且在工程中，Meltz27等人利用两束相干的紫外光形成的得到广泛应用。条纹对光纤侧面进行 。这种方法提高了光栅制作效率，可以在光纤中写入任意波长的光栅。1993 年，Hill28等人提出的相位掩膜法简化了光纤光栅的写入过程，使得光纤光栅的批量生产成为可能。光纤光栅在光纤通信中应用广泛，可许多光纤器件，如：光纤激光器，EDFA 掺铒光纤放大器，波分复用器，色散补偿器等。此外，光纤光栅在传感领域的应用研究受到了极大的关注。主要用于检测大型结构的应力、应变和温度等参量。包层图

28、 2-1 光纤光栅结构示意图光纤光栅的基本结构如图 2-1 所示20。根据光纤光栅模式耦合理论29，当光信号入射到 FBG 时，由模式耦合方程，在满足相位匹配时，其反射中心波长与有效折射率和光栅周期关系为：lB = 2neff L式（2-1）中， neff 为纤芯的有效折射率， L 为光栅的周期。（2-1）L纤芯由公式（2-1）可知，光栅中心波长lB 与有效折射率neff 、光栅周期L 有关。当光栅应用环境（温度、应力、应变等）改变会引起纤芯有效折射率neff 和光栅周期L 的变化，进而导致中心波长漂移。2.2 光纤光栅温度和应变传感原理由公式（2-1）可知，中心波长取决于有效折射率neff

29、和光栅周期L ，其中温度和应变是引起这两个参量发生变化的主要因素。因此，光纤光栅可感知温度和应变的变化。其中，温度的影响是由于热膨胀效应及热光效应造成的，应变对光纤光栅的影响是由于光栅周期的变化以及弹光效应引起的。若温度、应变对光纤光栅的影响是的，当温度和应变变化时，得到光纤光栅总的波长漂移量30为：DlB = ST DT + See（2-2）式（2-2）中， ST 为温度灵敏度， DT 为温度变化量； Se 为应变灵敏度， e 为应变量。2.2.1 光纤光栅温度传感原理对公式（2-1）取微分，可以得出布拉格光栅波长漂移量DlB 的表达式30：DlB = 2neff DL + 2Dneff L

30、（2-3）式（2-3）中， DL 表示温度或轴向应变对光栅周期的影响， Dneff 表示温度的热光效应或轴向应变的弹光效应对纤芯有效折射率的影响。当只考虑温度对光栅的作用时，公式（2-1）对温度取导数，得到30：dl = 2(L dneff + ndL)dT（2-4）BeffdTdT式（2-4）两边分别除以式（2-1）两边，得：dlB = ( 1 dneff + 1d L)dT（2-5）lBdTL dTneffdn令 eff= x ，式中 dneff 为光纤材料的热光系数；令 1 d L = a ，表示光纤的热膨胀L dTdTdT系数，为与光纤光栅材料相关的常数。这样，可将公式（2-5）表达为

31、30：dlBlB1= (x + a )dT neff（2-6）从公式（2-6）可以看出，光栅的波长漂移与温度成线性关系。1令(x + a )l = S ， S 为光纤光栅温度灵敏度系数，由此可得30：BTTneffDlB = ST DT（2-7）公式（2-7）为光纤光栅波长漂移量与温度变化的方程，由此可知，光栅可作为温度传感器使用，通过监测中心波长的漂移量得到温度的变化情况。对于熔融石英光纤，其热光系数x = 0.64n´10-5 / ，热膨胀系数a = 5.5´10-7 / ，有效折射率n =1.456 ，eff当l0 = 1550nm 时， ST = 10.8 pm /

32、 。eff对于不同的光纤光栅，由于使用材料和制作工艺的差异，其温度灵敏度系数不同。另外，采用不同的封装也会改变温度灵敏度系数，如在实际应用中，先对其标定后才能够使用。2.2.2 光纤光栅应变传感原理仅考虑应变作用（不考虑温度等因素）时，在均匀轴向应力31情况下（不存在切向应力），光纤光栅的各个方向应力可表示为s zz = -P ，s rr的拉力或，则三个方向的应变分别为32：= sqq= 0 ，P 为光栅所受到e=- P ，s= s= -ve= v P（2-8）rrqqzzzzEE式（2-8）中，光纤光栅的弹量 E = 7.1´1010 Pa ，纤芯材料的泊松比 v=0.17。对光纤

33、光栅方程（2-1）两边微分得32：dlB = 2Ldneff + 2neff dL将式（2-9）两端分别除以式（2.1）两端，得32：（2-9）dlBlB= dneff+ dL（2-10）Lneff弹性范围内，有32：d L = DL = e（2-11）zzLL式（2-11）中，L 表示光栅的长度， DL 为光栅的纵向伸缩量。将式（2-9）展开得32：Dl= 2L( dneffDL + dneffDa) + 2 dL DL n（2-12）BZeffdLdadL式（2-12）中， a 为光纤直径， Da 为光栅直径的变化， dneff 为弹光效应， dneff 为dLda波导效应。) = - 2

34、Dneff= dneffDL ，e= DL ， D(1不考虑波导效应，由Dn，式（2-12）可effzzn2n3LdLeffeff表示为32：éL ê-êëæöùn3d LdL1Dl= 2e L eff D÷ú + 2n（2-13）çBZeff zz2n2øúûèeff根据材料的弹光效应得到33：æö1Dç n2 ÷ = ( p11 + p12 )err + p12e zz（2-14）èøeff公

35、式（2-14）中， p11 和 p12 是弹光系数，将（2-14）代入（2-13）得到弹光效应导致的相对波长漂移为：Dln2()e B= -é p eff + p+ p e ù + e（2-15）z ëzz ûl1112rr12zz2B将（2-8）代入（2-15）得到：ìïDlïün2- v ( p)ùý e B= 1-é p eff + p（2-16）íz ëûïl121112zz2ïîþBn2- v ( p)&#

36、249; ， p= eff é p+ p令 p为有效弹光系数，将 p 代入（2-16），于是轴向ëûe121112ee2应变引起的波长变化可表示为：DlB = (1- pe )e zz lB（2-17）由式（2-17）可以看出，光纤光栅对应变的传感特性与材料系数相关，对于掺锗石英光纤， p11 = 0.121， p12 = 0.27 ， neff = 1.456 ，因此 pe » 0.22 。令(1- pe )lB = Se ， Se 为光纤光栅由弹光效应引起的轴向应变灵敏度系数，由此得到：DlB = See微应变导致的波长漂移约为1.2 pm / me

37、 。（2-18）当l0 = 1550nm 时，2.3 光纤光栅传感复用技术在许多工程应用中，需要同时测量多个参数，如温度、应变、 移等参数。通过复用技术可将多个传感器连接在一根或数根光纤上，、度、位光纤光栅传感网络，实现多参数的同时测量。常见的复用技术有波分复用（wavelength divisionmultiplexing,WDM）、时分复用（time division multiplexing,TDM）、空分复用（spatialdivision multiplexing,SDM）技术，以及这几种复用方式的组合，它们是传感网络的基础34-36。光纤光栅2.3.1 波分复用技术波分复用技术是通

38、过波长的识别来区分传感器的位置。将不同中心波长的传感器连接在一根光纤上，分别置于被测对象的各个测量位置，实现了单根光纤的多点分布式测量。图 2-2 为波分复用技术的原理图37，宽带光源入射光纤光栅阵列，反射信号经过可调谐滤波器解调，通过光电探测器探测后进行数据处理，即得到所测量物理量的传感信息。由于传感器中心波长不同，发生波长混叠，避免了串音现象，系统的信噪比高。但有限的光源带宽和测量点的动态范围，决定了波分复用网络能够复用传感器的数量不多，通常单根光纤上能复用 15-20 个传感器。耦合器FBG1（1）FBG2FBGn（n）（2）可调谐滤波器PD数据处理图 2-2 波分复用原理图2.3.2

39、时分复用技术时分复用38系统原理如图 2-3 所示，通过各个光纤光栅反射信号的延时来区分各个光纤光栅传感器的位置39-44。宽带光源发出的光脉冲经过耦合器进入光纤光栅阵列， 光信号依次被各光纤光栅反射。两个相邻光纤光栅传感器反射的光信号有一定的时间间隔，利用高速光开关可以分离这些具有时间延迟的反射信号，实现各光栅中心波长的测量。宽带光源21耦合器FBG1（1）FBG2（2）FBGn（n）11延迟nn图 2-3 时分复用原理图在时分复用系统中，传感器的中心波长可以相同，不再受光源带宽限制，较大地提高了传感器的复用能力和测量范围。但是由于光源发出的光信号经过多个波长相同的传感器后，光功率会变得非常

40、微弱，从而导致波长扫描器无法探测传感器反射回的光信号。因此，光源功率问题是限制传感器数量的主要因素。此外，由于传感器工作在相同波长，时分复用系统还存在串扰问题。2.3.3 空分复用技术空分复用技术通过光开关来区分各个光纤光栅传感器所在的通道，进而来识别对应的测量位置。空分复用技术的原理45-48如图 2-4 所示。采用空分复用技术的光纤光栅传感网络中，每个传感光栅都单独分配一个通道，通过光开关选择不同的通道，访问不同空间位置的传感器，实现传感器的复用。采用这种结构，每个传感器可以地进行工作，当某一个光纤光栅传感器损坏时，可以很方便地更换传感器。但它的缺点是光源功率利用率较低。低通滤波器N高速开

41、关阵列低通滤波器1脉冲信号发生器波长扫描驱动器宽带光源FBG1（1）FBG2（2）耦合器高速开关阵列FBGn（n）光电探测器计算机图 2-4 空分复用原理图2.4 光纤光栅传感解调技术光纤光栅的传感信息采用波长编码，如何实现光栅的寻址和检测中心波长的漂移，是光纤光栅在应用中的关键问题。迄今为止，人们提出了许多方案，对光栅的强度或相位进行解调49，如可调谐 F-P 滤波器解调法，边沿滤波器法，匹配光栅解调法，它们各有不同的优缺点及适用范围。2.4.1 可调谐光纤法布里-泊罗滤波器解调法可调谐光纤法布里-泊罗滤波器解调技术的器件是光纤法布里-泊罗滤波器。它具有类似d 函数的滤波特性，对透射波长具有

42、选择性，可以用来检测 FBG 的反射波长。光纤法布里-泊涉仪的原理50如图 2-5 所示。L输出输入光纤透镜/反射镜图 2-5 FFP-FP 原理图谐振腔中相邻光束的相位差d 为：d = 4p nL cosq（2-19）lt公式（2-19）中，n 为 F-P 腔中介质的折射率，qt 为入射角，L 为 F-P 腔长度，l 为光波波长。入射角qt =0 时，F-P 腔的透射率可表示为：可调谐窄带滤波器宽带光源(1- R)2IT = t =Ii（2-20）(1- R)2 + 4R sin2 ( 2p L )l公式（2-20）中， Ii 为入射光功率， It 为透射光功率。由公式（2-19）、（2-2

43、0）可以看出，透射率 T 取决于腔长 L 和波长l 。因此 F-P 腔具有波长选择性，通过调节腔长 L 可以让特定波长的光透射。给压电陶瓷 PZT 施加周期性的扫描电压，使 F-P 腔腔长作周期性的变化，从而达到一定波长范围的周期性解调。基于 F-P 滤波器解调的光纤光栅传感系统51-52如图 2-6 所示，宽带光源发出的光经过光栅阵列反射后，经耦合器进入 F-P 滤波器，在锯齿波电压驱动下，当 F-P 滤波器透射波长和某个传感光栅波长重合时，传感光栅反射的光信号通过 F-P 滤波器进入光电探测器。此时给压电陶瓷施加的驱动电压 V 就对应着传感光栅的反射波长，由 F-P滤波器的驱动电压-透射波

44、长关系可以得到当前的波长值。12n耦合器可调谐光纤F-P滤波器扫描电压光电探测器抖动混合器信号图 2-6 可调F-P 滤波器解调原理图2.4.2 边缘滤波解调法边缘滤波器解调原理53-55如图 2-7 所示，利用线性滤波器的光波透射率变化来检测光波长。性滤波器的工作范围内，滤波器的透射率与入射波长呈近似线性关系。宽带光源发出的光被光栅反射后进入耦合器后分为 2 束，一束作为参考光 IR ，直接进入光电探测器 1，以补偿由于光源输出功率波动对实验造成的影响。另外一束透过边缘滤波器的光 IF 进入光电探测器 2。低通滤波输出宽带光源耦合器1FBGI耦合器2边沿滤波器光电探测器2光电探测器1边缘滤波

45、器输出特性除法器输出图 2-7 边缘滤波解调原理图设边缘滤波器的滤波函数为：F(l) = K (l - l0 )式（2-21）中，K 为边缘滤波器的斜率； l0 为边缘滤波器的初始值。（2-21）同时参考光与信号光，消除光源输出功率变化的影响，得：+ dlB )IR= K (l - l（2-22）B0pIF公式（2-22）中，lB 为 FBG 的波长，dlB 为 FBG 反射光谱的线宽度。因此，IR / IF与反射谱波长lB 成线性关系。对公式（2-22）取微分，得到参考光与信号光比值变化与波长变化的关系：æöID= K DlR（2-23）ç I ÷B&

46、#232; F ø根据公式（2-23），输出信号与波长偏移量呈线性相关，波长偏移量DlB 由比值变化量得到。这种方法结构简单，加入参考光路，消除了光源输出功率波动、连接干扰等对实验的影响，具有较好的线性输出。通过检测光强来解调，其成本较低，解调速度较快，可达几十 KHz，可用于解调振动信号，但不适于分布式传感解调。2.4.3 匹配光栅解调法图 2-8 为匹配光栅解调的基本原理56-59，宽带光源输出的光信号经环形器 1 入射到传感光栅阵列，经传感光栅反射的窄带光又经环形器 2 进入匹配光栅阵列，经过匹配光栅反射后，到达光电探测器（PD）。宽带光源环形器1Sensor（1）环形器2FB

47、G（2）图 2-8 匹配光栅解调原理传感光栅的反射谱S (l) 可近似为高斯型60，即有：(l - l)2S(l) = R exp-4 ln 2S2（2-24）DlSS公式（2-24）中， lS 为传感光栅的中心波长， RS 为光栅峰值反射率， DlS 为光栅的半高宽 FWHM（full width at half匹配光栅的反射谱 R(l) 为：um）。(l - l)2R(l) = RB exp-4 ln 2B2（2-25）DlB公式（2-25）中， lB 为匹配光栅的中心波长， RB 为光栅峰值反射率， DlB 为光栅的半高宽 FWHM。由于光纤光栅的带宽要比宽带光源的带宽小许多，因此，在光

48、纤光栅反射谱宽内将光源功率视为恒定，所以传感光栅 Sensor 的反射光功率可以表示为 I0S(l) ， I0 为中心波长处宽带光源的入射光功率。传感光栅的反射光经过匹配光栅射到光电探测器，PD 接收到的光功率 PR 是将S (l) 与 R(l) 进行卷积运算，结合公式（2-24）（2-25）并利用公式：+¥ò exp(-x2 )dx =p-¥（2-26）PD 接收到的光功率 PR 为：PD宽带光源+¥PR = a1I0 ò S (l) R(l)dl-¥(l - l)2 öæ+¥æ(l - l

49、)2 ö1 0 S B ò=a I R Rexpç -4 ln 2÷ dlS÷´expç -4 ln 2B（2-27）ç÷DlDl2èøèø-¥SBpDlS DlBæDl 2ö=a1/ 2 ´expç -4 ln 21I0 RS RB22 ÷(DlS + DlB)Dl 2 + Dlln 222èB øS式（2-27）中，a1 为经过环形器的光能利用率。由公式（2-27）可以知道，光电探测

50、器探测到的光功率将随着两光纤光栅中心波长的相对漂移量Dl = lS - lB 的变化而变化。当 Sensor 和 FBG 所处温度相同，且 Sensor不受外力时，光电探测器输出最大；当 Sensor 所受温度或变化时，中心波长产生相应的移动，此时再经过 FBG 反射，则反射光光强就会相应的减小，因此光电探测器的输出也会减小。忽略光路中光信号在光纤中的传输损耗，则 a1 近似取 1，I 取 0.08020uW/nm， RS 和 RB 都取 0.99， DlS 和DlR 都取 0.8 nm，对公式（2-27）进行数值结果如图 2-9 所示。，0.050.040.030.020.010.20.40

51、.60.81.0中心波长偏移量(nm)图 2-9 检测光功率与中心波长相对偏移量关系图由公式（2-27）和图 2-9 可以发现，光电探测器探测光功率 PR 和两光纤光栅中心波长的相对偏移量Dl 并不呈线性关系，但由图 2-9 可以看出， PR 和Dl 有很好的近似线性区间（尤其是在 0.2nm 到 0.8nm 区间段内）。而由公式（2-7）可知， Dl 与传感光栅所受温度 T 呈线性关系，因此，可以通过光功率的探测进而对温度进行感知。PD探测到的光功率(uw)2.5 本章小结本章首先介绍了光纤光栅传感器的发展和应用情况；然后介绍了光纤光栅传感的基本原理，并重点分析了光纤光栅温度和应变特性，接着

52、阐述了几种常用的复用技术及解调方法，分析了其优缺点及应用范围。对匹配光栅解调技术做了详细的推导，分析了传感光栅波长漂移量与光电探测器接收光功率的对应关系。第 3 章 基于 CDMA 技术的 FBG 传感原理波分复用是 FBG 传感网络最常用的复用技术，至今已有不少，它是各种复杂和大型网络的最基本复用技术。但受光源带宽和待测物理参量的动态范围等因素的制约，能够在单光纤上复用的 FBG 是有限的。为了进一步提高单光纤上 FBG 的复用能力，就必须设法提高 FBG 网络的频带利用率，于是，采用 CDMA 技术的密集波分复用（dense wavelength division multiplexing

53、，DWDM）方案引起了许多人的关注15。3.1 基于 CDMA 技术的FBG 传感原理Circulator1SMFP(t)Sensor2 2Sensorn nSensor1 1pq(t)FBG11FBG22FBGnn图 3-1 基于CDMA 技术的 FBG 传感系统的原理图图 3-1 所示是采用 CDMA 技术的光纤布拉格光栅传感系统12-13。在该系统中，光源受伪随机比特序列(pseudo-random binary sequence，PRBS)调制，产生一组互不相关的光脉冲，进入光栅阵列。FBG 传感阵列对一个给定的 PRBS 响应与一定时间延迟的同一个 PRBS 进行相关运算，相关运算的结果经过低通滤波器后就得到某一特定传感器上返回的波长编码信息61。在图 3-1 的采用CDMA 技术的光纤布拉格光栅传感系统中，p(t) 为编码调制信号，输入到传感光栅阵列的光信号 P(t) 为12：P(t) = p(t) * hs (t)其中， hs (t) 为编码序列调制光源的脉冲响应， *表示卷积运算。入射到匹配滤波光栅阵列的光信号12：N（3-1）q(t) = å P(t -ti ) * fsi (t)（3-2）i=1其中，t i 为相