光纤光栅传感器复用技术

光纤光栅信号解调技术，光纤光栅传感器复用技术一．光纤光栅信号解调技术信号检测是传感系统中的关键技术之一，传感解调系统的实质是一个信息（能量）转换和传递的检测系统，它能准确、迅速地测量出信号幅度的大小并无失真地再现被测信号随时间的变化过程，待测信息（动态的或静态的）不仅要精确地测量其幅值，而且需记录和跟踪其整个变化过程。从解调的光波信号来看，光纤光栅传感信号的解调方案包括强度解调、相位解调、频率解调、偏振解调和波长解调等。其中，波长解调技术具有将感测的信息进行波长编码，中心波长处窄带反射，不必对光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功率起伏进行补偿等优点，得到了广泛应用。如图1，在传感过程中，光源发出的光波由传输通道经连接器进入传感光栅，传感光栅在外场（主要是应力和温度）的作用下，对光波进行调制；接着，带有外场信息的调制光波被传感光栅反射（或透射），由连接器进入接收通道而被探测器接收解调并输出。由于探测器接收的光谱包含了外场作用的信息，因而从探测器检测出的光谱分析及相关变化，即可获得外场信息的细致描述。相比而言，基于反射式的传感解调系统比较容易实现。图1光纤光栅传感解调系统由上述可知，光纤光栅传感器的关键技术是测量其波长的移动。通常测量光波长都是用光谱分析仪，包括单色仪和傅立叶变换光谱仪等。它的波长测量范围宽，分辨率高，能测量出微小的应变量，用于分布式测量也极为简便，但它体积大，价格昂贵，一般都用于实验室中，不宜实际现场使用。在实际应用中，还必须利用光纤光栅的优良特性，研发高灵敏度、光能利用率高、稳定性好、性价比高的新型传感解调系统取代实验室中的光谱分析仪，以用于工程结构的现场实测与监控。目前比较典型的主要有以下几种波长移动检测方案：光谱仪和多波长计检测法，边缘滤波检测法，可调谐滤波检测法，匹配光栅检测法，波长可调谐光源解调法，CCD分光仪检测法，非平衡M-Z干涉仪检测法等。1．光谱仪和多波长计检测法在光纤光栅传感系统中，对波长移位最直接的检测方法是：利用宽带光源（如发光二极管LED），输入光纤光栅，再用光谱仪（或多波长计）检测输出光的中心波长移位B，如图2。该法结构简单，具有可携带性、经久耐用且易于使用和自动测试等特点，常用于实验室。图2宽谱输入光谱仪检测示意图光谱分析仪是检测光波光谱的仪器，其工作原理如图3。在光谱仪中，通过调节衍射光栅的角度，使衍射光栅分离出不同的波长，分离出来的特定光波由反射镜聚焦到光阑孔/探测器；旋转衍射光栅可对波长范围进行扫描。使用光谱仪进行测量，在光功率、信噪比、信道增益方面能够得到较为理想的结果，对波长进行测量，分辨率可达0.001nm，基本可满足对光栅Bragg波长移位量的分辨。若需要更精确的波长测量，可选用多波长计，其工作原理参见图4。在多波长计中，利用光波的干涉效应将同相位的光信号加强的原理来对不用的光波进行区分。从光纤来的光信号在通过分束镜后，一部分由于反射到固定反射镜，然后返回；另一部分透射到可移动的反射镜，然后返回，这两束同源但不同路径的光束，在重新汇合时，某些特定波长的光信号将由于同相位而产生干涉、光强增加，被探测器捕获。对可移动反射镜进行微调，可改变两光束的光程差，以此来选择对不用光波的扫描。多波长计对波长的测试非常精确，分辨率可达0.0004nm，能看到系统的噪声平台，但在功率测量方面不如光谱分析仪。图3光谱仪的工作原理图4多波长计的工作原理在光谱仪中，还有一种方案是通过傅立叶变换光谱法直接分析光纤Bragg光栅的波长光谱，如图5。来自光栅阵列的反射光入射到光纤Michelson干涉仪，其中，该干涉仪的一端由压电光纤延伸器控制以改变相对光程。当光程差为零时，探测器会接收到拍频信号。在该方法中，光栅的反射离散波长导致了明显的音频信号。可通过外部扰动场对这种频率进行调制。在整个相干长度范围内，通过光栅反射光谱产生的干涉图，实现了对Michelson光程差进行扫描。FFT分析仪的分辨率为6610Hz，这表示等价的波长移位分辨率为0.015nm，或转换为1550nm波长的应变分辨率为~12。图5光纤Fourier变换光谱法检测传感光栅的原理光纤傅立叶变换光谱法克服了干涉波长移位检测中2检测范围的限制，提供了相当高的波长分辨率，在整个相干长度范围内，通过获得光栅反射光谱产生的干涉图，从而实现传感光栅的波分复用，如图5所示。2．边缘滤波器检测法基于边缘滤波器的线性解调原理如图6所示，这种边缘滤波器输出光强的变化量I与波长漂移量0成正比，该滤波函数可表示为0()()FA（1）将从传感光栅反射回的、包含波长移位调制的光信号分成两束，分别送到两个不平衡的滤波器中，经滤波器后两光强相除，其结果就包含波长移位的信息。图6边缘滤波线性解调原理下图7所示的线性解调系统是利用体积光学线性边缘滤波器对应变场进行测量，由于该解调方案使用了两个不平衡的滤波器，又称为分束非平衡滤波法。图7边缘滤波线性解调系统原理在图7中，从光纤Bragg光栅返回的光均匀分为两束，一束直接送入探测器1D作为参考信号；另一束则通过滤波函数为式（1）的线性滤波器，再送入探测器2D，反射光是谱宽为的Gaussian分布，则接收到的光强分别为001()2SBIIRA（2）012RIIR（3）0()SBRIAI（4）式中SI——信号光强；RI——参考光强；R——光纤的反射率；A——线性滤波器的比例系数。由式可见，B和直接测量值/SRII呈线性关系，由此可求出动态的B值。这种检测方法基于光强检测，适用于动态、静态测量，具有较好的线性输出，测量范围与探测器的分辨率成正比。该方案的优点在于采用了较好的补偿措施，能够有效地抑制光源输出功率的起伏、连接干扰和微弯干扰等不利因素，且系统反应迅速，成本较低，使用方便，在几个m测量范围内，该系统具有几十个的分辨率。不足之处是系统使用体积光学滤波元件，其测量精度受到滤波器准直和稳定性的严重影响，故消弱了其便携性。并且，该系统也无法消除因耦合器分光比的起伏变化、光纤中的双折射等因素对测量结果的影响。例如，由于光纤中的双折射影响，其两偏振态的权重比1R、2R将随机变化，光强比变成11220[()]SBBRIARRI（5）从上式可见，光纤中的双折射影响将直接导致输出产生随机噪声。全光纤技术可克服体积光学滤波器的上述缺点。如图8所示的线性解调系统，使用光纤波分复用熔锥耦合器代替了体积光学滤波器，从光纤Bragg光栅返回的光由WDM耦合器分成两束，分别送入探测器1D和2D，波长移位可表示为120121BPPAPP（6）式中，12PP和12PP分别是WDM耦合器两输出端的耦合比例系数。图8WDM线性解调系统原理此方案虽基于光强检测，却是一种全光纤的解调方案，也适用于动态、静态测量，系统的应变与温度的分辨率分别为5和0.5C。其突出特色在于提供了一种全光纤、便携式传感解调系统的实现途径，具有结构紧凑、功耗很低、价格便宜等优点，在相对较高的精度测量中，这是一个较为理想的解调方案。此外，若在上述两种方案中采用光纤光栅传感器复用技术，还可以进行传感寻址，检测更多的探测点。此外，鉴于线性边缘滤波检测方案中，光电探测器输出的信号电平非常低，信噪比低，会降低系统的测量分辨率，压缩测量的动态范围，又提出了一种光纤光栅激光传感器，如图9所示。图9光纤光栅激光器该传感器由一个980/1550nm的波分复用器和一段1.5m掺铒光纤和光纤光栅构成一只光纤激光器。掺铒光纤一端抛光渡银，制成全反射镜，与光纤光栅一起构成光纤激光器的选频谐振腔。由980nm的掺钛蓝宝石激光器作泵浦，光纤激光器的工作波长由光纤光栅确定。图右下方是掺铒光纤激光器的荧光谱图，激励功率达到阈值功率（约2.7mW）时，开始出现激光，增至4.9mW时，输出纯激光。轴向应力作用于光纤光栅，相应改变激光器的输出波长，同时激光器可以输出足够强的光功率。再将激光器的输出光送入线性比例探测器去解调，即可测量出光纤光栅的波长移动。这一方案提高了测量信噪比，可达到的应变测量分辨率为5.5。3．可调谐滤波检测法利用扫描光滤波器，如可调谐Fabry-Perot（TFP）、声光可调谐滤波器（AOTF）等，可跟踪传感光栅的波长变化。（1）可调谐波长的光纤Fabry-Perot滤波器可调谐光纤Fabry-Perot滤波器（FFP）已广泛应用于传感光栅的信号解调，其中，该滤波器可由Lorentz谱线形状的带通响应描述，典型的带宽为0.3nm，工作范围为几十个纳米，受限于由两平面镜距离所决定的共振之间的自由光谱区（FSR）。滤波器的精细度F可定义为fFSRF（7）其典型值为120。其中f是滤波器的带宽。通过压电陶瓷（PZ）精确移动平面镜的间距，可改变Fabry-Perot腔的的腔长，从而实现滤波器的调谐，参见图10。当前，可调谐FPF的扫描频率可达1kHz。该滤波器有两种工作形式：可检测单个光栅的跟踪（闭环）模式；可检测多个光栅的扫描模式。为保证光纤光栅的反射信号总能被FFP检测，FFP的自由光谱区应大于光纤光栅的工作谱区。图10可调谐波长的光纤Fabry-Perot滤波器检测单个传感光栅的跟踪模式在上图所示的跟踪模式中，FFP固定于压电陶瓷，构成了可调谐FFP，使FFP的两端间距随外加交流电信号的d改变。在自由状态下，光纤光栅的反射波长B在FFP的中心波长上，这时FFP由于受d交流信号的调制，由于FFP的峰值两边相位相反，故产生倍频作用，即输出变为2d的交流光强信号，与本征相混频得到d和3d的输出，再经过低通滤波和积分器累加，总输出保持为零电平，此电平叠加到FFP的控制信号d上形成闭环控制，使FFP的移位保持以B为中心。当外界因素，如应变作用于传感光栅上时，它的反射中心波长发生移位，变为BB，与FFP失配，致使FFP的输出变为d交流光强信号。经混频、低通滤波积分累加后，产生一直流输出，叠加在原来的d交流信号上，强行将FFP的移位中心拉到BB，重新完成新的反馈锁定。这时的输出控制电平就对应了外界应变的大小，其符号则对应了外界应变的方向。工作于波长扫描模式的FFP可用于检测多个传感光栅单元，这些传感单元的Bragg名义波长和工作波长不交叠，但仍在光源和FFP的FSR的光谱包络范围内。图11给出了可调Fabry-Perot滤波器同时检测多个光纤光栅的方案。图11可调谐波长光纤Fabry-Perot滤波器检测512个传感光栅的扫描模式在图11中，Fabry-Perot腔由压电陶瓷驱动，且施加周期性的电压用以改变腔长，以实现对确定区域的波长进行周期性的滤波扫描。若选用的Fabry-Perot滤波器具备与光纤Bragg光栅相当的带宽，施加的电压信号为均匀扫描着的周期性锯齿波，受其调制，滤波器在自由程内进行波长扫描时的波长范围能够覆盖传感光栅及其经诱导偏移后的全部Bragg波长，且来自传感光栅的信号滤波后，经线性光电转换器转换成电信号，放大后输入示波器。此时，光电转换器、Fabry-Perot滤波器和锯齿波信号发生器以及示波器组成的检测系统将执行光纤光谱仪的功能，它不仅可以对测量范围内各光纤Bragg光栅传感元的波长信息进行依次查询，而且将所测波长信息与偏移前波长信息进行比较，得到各传感元的波长偏移量，利用偏移量与所测量间的变化关系，便可判断对应传感元件所感测物理量变化的大小，达到解调的目的。可调谐光纤Fabry-Perot扫描可跟踪多个光纤光栅以构成波分复用传感网，如图11。这种布局的分辨率主要由FFP的细度决定，可调谐FFP的细度一般低于400。这种传感网分辨率的典型值为310nm（在~40nm范围内）。（2）声光可调谐滤波器声-光可调谐滤波器（AOTF）是一种由射频（RF）驱动频率可调谐的固态光滤波器，其中，AOTF的波长调谐范围可宽至几个毫米，时间响应可小于5kHz，并具有窄的光谱带宽。该器件可工作于多种模式，如分光计、颤