基于fabry-pero与光纤bragg光栅串联复用结构的双参数解调方法

基于fabry-pero与光纤bragg光栅串联复用结构的双参数解调方法

1温度测量的光纤复合化非本征纤维氟脲（f-p）的干燥槽和纤维bragg光刻（fbg）的光纤传感器被认为是最具前景的光纤传感器。光纤F-P传感器得益于其独特的结构,具有温度-压力交叉敏感性,高精度和可靠性以及可以直接感知环境压强变化,已被成功的应用于高温油井下的压强测量。由于FBG用于300℃油井温度测量不需要任何增敏措施,具有最简单的结构,并且与光纤F-P腔串联复用不仅能够在不额外增加光纤的情况下提供同一测点的温度信息,同时还可以对压力传感器进行高精度温度补偿。光纤F-P腔压力传感器与FBG温度传感器串联后得到的光谱信号是F-P腔干涉光谱与FBG反射光谱的叠加,如何从叠加的光谱信号中分离出各自的光谱数据,从而互不相关的分别解调出温度和压强信号,直接关系到光纤压力-温度传感器系统的测量精度。本文从理论上给出了F-P腔与FBG串联复用光谱的解析表示,提出了一种高精度解复用即F-P腔长(压强)和FBG反射波长(温度)同时测量方法,并通过实验对该方法进行了验证。2fbg温度传感器FBG与F-P腔串联复用的结构如图1所示。当光源发出的宽谱光Iin从光纤左端入射,首先经过FBG温度传感器,位于Bragg反射波长附近的一部分光I1被反射,其余部分透射光I2入射到F-P腔传感器,其反射光谱为一低反衬度的F-P腔干涉光谱I3,I3再次通过FBG传感器,其透射部分I4与之前的FBG传感器反射光I1相叠加形成最终的返回光谱Iout。具体的数学表达为1bragg反射波值反射率b即将FBG的反射谱用高斯分布表示。式中:R为光栅峰值反射率;λB为Bragg反射中心波长;c值的大小用于表征反射峰的宽度;其半高宽(FWHM)w与c值的关系为w=2ln2−−−√c(2)w=2ln2c(2)2i2宽度表示为i2宽度I2=Iin-I1=Iin(1-fFBG)(3)32透射光i2进入f-p腔传感器，并被反射，形成干涉条纹ii式中:r为光纤端面反射率;G为F-P腔的腔长;λ为光波长。4i4是通过gps传感器再次产生的5fbg中心波长位置模拟由式(6)可见,由传感器返回的光谱并不是FBG传感器与F-P腔传感器各自反射光谱的简单叠加。此时,若直接采集光谱信号中的FBG反射峰值波长作为FBG传感器的温度解调信号将导致结果发生偏差影响温度测量精度。为了得到精确的FBG反射光谱信号,将式(6)展开为关于fFBG的一元二次方程解这个方程,可得到精确的FBG反射光谱,进而通过对解出的光谱峰值部分进行高斯拟合,求解最出中心位置,即可解出FBG的中心波长。式(7)中Iout和Iin是可直接测量得到的光谱分布数据,fF-P则可以通过F-P腔反射光谱的交叉相关解调算法得到。消除FBG对F-P腔解调的影响只需找到FBG的粗略峰值位置,将FBG峰值部分光谱数据从光谱中扣除。由于FBG光谱宽度远小于宽谱光源宽度,而交叉相关计算对于小范围光谱数据的缺失不敏感,因而不影响F-P腔解调结果的精度。将相关解调计算得到的fF-P带入式(7),得到方程的解为fFBG=−(1−2fF−P)+(1−2fF−P)2−4fF−P(fF−P−Iout/Iin)√2fF−P(8)fFBG=-(1-2fF-Ρ)+(1-2fF-Ρ)2-4fF-Ρ(fF-Ρ-Ιout/Ιin)2fF-Ρ(8)在实际解调过程中,可以取测量得到的原始FBG光谱峰值附近一定范围的光谱数据做上述运算,得到分离后FBG的新光谱并进行高斯拟合,即可得到精确的FBG的中心波长位置。首先利用式(6)对传感器返回光谱进行数值模拟。根据实际传感器系统使用的宽谱扫描激光光源光谱特性,设定在扫描波长范围为1510～1590nm间的激光输出功率为1mW,FBG中心波长为1550nm、反射率R为47%和半高宽w为0.16nm,光纤端面反射率r为4%。模拟传感器返回光谱如图2所示。为了与实验结果作比较,固定F-P腔的初始腔长为179905.5nm不变,改变FBG中心波长位置从1544.4nm到1547.6nm,对删除FBG峰值前后的模拟光谱进行F-P腔长解调,结果如图3所示。从图3可以看出,如果不从原始光谱中删除FBG峰值谱,FBG峰的存在将导致F-P腔长解调值偏离模拟设定值,并且偏离程度随着FBG峰值波长改变在正负3.5nm间变化。当从原始光谱中删除掉FBG峰值谱时,解调结果如图中虚线所示,F-P腔长解调值很好地与设定的原始腔长吻合。从而证明,只要从原始光谱中删除FBG的峰值光谱数据,即可以保证F-P腔长解调的准确性。同样为了与实验结果作比较,固定FBG中心波长位置1544.056nm不变,改变F-P腔传感器的腔长G从179800nm逐步增大到180600nm,同时用两种方法解调FBG峰值波长,结果如图4所示。虽然设定FBG中心波长始终保持在1544.056nm没有改变,但是随着F-P腔长值的改变,FBG中心波长的解调值也受其影响,在1544.055～1544.057nm间产生了类似于正弦函数形式的波动,如图4中虚线部分而利用式(8)对FBG峰值附近光谱进行处理,再对其进行高斯拟合,取中心位置波长得到的结果则明显克服了F-P腔长改变对FBG解调的影响,得到了与设定中心波长1544.056nm相符的解调结果,如图4中实线部分。从而证明,该解调计算方法理论上是精确的。3fbg光谱对f-p解调值的影响为检验理论分析的结果,构建了如图5所示的传感测量系统。其中光源和光谱测量设备采用的是MOI公司生产的扫描激光波长查询仪(si720),扫描波长范围为1510～1590nm,波长分辨率为0.25pm。波长查询仪发出的激光,经过FBG与F-P传感器反射后,携带FBG与F-P腔的光谱信息返回查询仪。为控制FBG传感器的温度,将FBG置于恒温控制箱内。F-P腔传感器则用环氧树脂固定在悬臂梁的末端,可以通过对悬臂梁施加压力使悬臂梁发生形变改变F-P的腔长。首先设定恒温箱温度从22℃逐渐升温至276℃,过程中保持悬臂梁为自由状态不受力。对比直接解调F-P腔长结果与删除FBG光谱后再解调F-P腔长结果,如图6所示。实验中,由于悬臂梁处于自由状态,F-P腔长保持一恒定值。图6的实验结果表明,采用新方法后FBG光谱对F-P解调结果的影响被完全消除。数据处理结果表明,在FBG波长变化约3nm(相当于温度变化254℃)的情况下,没有观测到对F-P腔长解调值的影响,F-P腔长解调的最大离散度由3.5nm提高到了0.2nm。对比理论模拟结果发现,FBG光谱对F-P解调的影响与理论预期基本相符,从而证明了该方法可以有效提高FBG与F-P串联复用时F-P的解调精度。为检验F-P腔长变化对温度测量的影响,设定恒温箱初始温度为22℃,待温度稳定后,对悬臂梁缓慢施加压力,使F-P腔长逐渐改变。对比直接寻峰测量FBG峰值的结果与光谱经过修正后的计算出的FBG波长的结果,如图7所示。通过图(7)中2个解调结果的对比可以看出,采用式(8)对FBG光谱和F-P腔的干涉谱进行分离后,FBG反射波长峰值位置的解调结果受F-P腔长改变的影响基本被消除,10min温度恒定期间的温度测量结果显示,在F-P腔长范围改变大于1个模(775nm)的情况下,已观测不到FBG的波长解调受到的影响,FBG解调值最大离散由1.4pm提高到了0.7pm,相当于温度测量最大离散小于0.06℃。图7中,测量数据的较大波动是由于恒温箱中气流对光栅的扰动造成的。可见,实验结果与理论分析和数值模拟的结果很好符合,实现了FBG与F-P腔传感器串联复用的高精度解调。4实验结果分析FBG与F-P腔串联复用型光纤传感器得益于其温度、压腔同时测量并可对温压交叉敏感进行自补偿的优点,使其极为适于高温、高压油