（测试计量技术及仪器专业论文）基于匹配滤波的光纤bragg光栅解调系统研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 光纤b r a g g 光栅在光纤传感及光纤通信等光电子领域有着广泛应用。光纤传感以其 众多优势，已经成为传感技术发展的主流方向之一，并在近2 0 多年的时间里得到了迅 速的发展。光纤光栅将被感测信息的变化转变为反射波长的移动，利用高精度光谱分析 仪可实现反射波长微小位移的精确检测。但是，由于光谱仪体积庞大，价格昂贵，很难 用于实际工程中。因此，开展较高精度、低成本的光纤光栅解调方法的研究，是传感器 产业化的关键问题之一。 本文在分析国内外研究现状的基础上，设计了一种基于匹配光栅法的透射式解调系 统。该系统利用单片机控制精密电动位移台，驱动悬臂梁对匹配光栅施加压力或拉力， 使之与测量光栅相匹配，实现对温度、应变等传感信号的解调。以单片机a t 8 9 c 5 2 为 核心设计制作了解调装置的下位机系统，采用k e i lc 语言编写程序，实现了电移台的控 制，以及串行通信等功能。设计制作了光电转换、信号放大电路，采用多通道数据采集 卡实现了对光电信号的采集。根据光栅在矩形梁和等强度梁不同位置的应变特性分析， 选择等强度梁作为调谐光栅的悬臂梁。上位机程序采用v c + + 编写，通过串口对下位机 发送命令，实现对电动位移台的运行方向、移动距离和细分的控制：根据实时采集的数 据绘制光电信号曲线，并对图像和数据进行保存；通过全局扫描和实时跟踪相结合的方 法，实现了对缓变传感信号的实时检测。 关键词：光纤b r a g g 光栅；解调；电移台；悬臂梁；金属化光栅 大连理工大学硕士学位论文 f i b e rb r a g g g r a t i n gd e m o d u l a t i o ns y s t e mb a s e d o n m a t c h e df i l t e r i n g a b s t r a c t f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f s g ) h a sw i d ea p p l i c a t i o ni nt h ef i b e rs e n s i n g , o p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o na n do t h e rp h o t o n i c sf i e l d b e c a u s ef i b e rs e n s i n gh a sm a n ya d v a n t a g e s ，i th a s b e c o m et h em a i n s t r e a md i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fs e n s i n gt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p e d r a p i d l yi nt h ep a s t2 0y e a r s r e f l e c t i n gw a v e l e n g t hc a nb ec o n v e n e dt os e n s i n gi n f o r m a t i o n b yf b g ，h i g h - p r e c i s i o no p t i c a ls p e c t r u ma n a l y z e r ( o s a ) 啪b eu s e dt oa c h i e v er e f l e c t i n g w a v e l e n g t ho fp r e c i s i o ns m a l ld i s p l a c e m e n td e t e c t i o n ，h o w e v e r , o s aw h i c hi nh u g es i z ea n d e x p e n s i v ei s d i f f i c u l tf o rt h ea c t u a lp r o j e c t s oah i g h p r e c i s i o na n dl o w - c o s tf b g d e m o d u l a t o ri so n eo ft h ek e yi s s u e sf o rt h ei n d u s t r i a l i z a t i o no ff b gs e n s o r t h i sp a p e rp r e s e n t sab r a g gd e m o d u l a t i o nd e v i c eb a s e do nm a t c h i n gf i b e rg r a t i n go f t r a n s m i t t i n gs t y l ew i t ht h ea n a l y s i so nt h el i t e r a t u r ea th o m ea n da b r o a d ah i 曲p r e c i s i o n d i s p l a c e m e n ts e tc o n t r o l l e db yt h em i c r o c o n t r o l l e rw a su s e dt om o v et h ef r e ee n do ft h e c a n t i l e v e rb e a mt os t r e t c ho rc o m p r e s s ，w h i c hi m i p l e m e n t e dt h em e a s u r e m e n to fm a t c h e d g r a t i n ga n dt h ep u r p o s eo ft e m p e r a t u r eo rs t r a i ns i g n a ld e m o d u l a t i o n 。m c ua t 8 9 c 5 2w a s a d o p t e da st h ec o r eo fu n d e r - m a c h i n es y s t e mo ft h ed e m o d u l a t i o nd e v i c e ，k e i lcl a n g u a g e w a su s e dt op r o g r a m w h i c hc o m p l e t e df u n c t i o n so fc o n t r o lh i g hp r e c i s i o nd i s p l a c e m e n ts e t a n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n t h ep h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o n ，a m p l i f i e ra n dc o n t r o lc i r c u i tw a s d e s i g na n dp r o d u c e d ，am u l t i - c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o nc a r dw a su s e dt oa c q u i r ep h o t o e l e c t r i c s i g n a l u p p e rc o m p u t e rp r o g r a m m ei sw r i t t e nw i t hv c + + t h ef u n c t i o ni ta c h i e v e sa r ea s f o l l o w s ：a c h i e v i n gt h er u n n i n gd i r e , c t i o n , d i s t a n c e ，a n dt h es u b d i v i s i o nc o n t r o lb ys e r i a lp o r t ； a c c o m p l i s h i n gd a t aa c q u i s i t i o na n dr e a l - t i m er e n d e d n go ft h ep h o t o e l e c t r i cs i g n a la c q u i s i t i o n b yt h ec u l v e s ，a sw e l la st h ep r e s e r v a t i o no fi m a g e sa n dd a t a ；r e a l i z i n gt h ep u r p o s eo f d e m o d u l a t i o no fs l o ws e n s i n gs i g n a lw i t ht h ew h o l es c a n n i n gm e t h o da n dt h em e t h o do f c o m b i n i n gt h r e ep o i n t s k e yw o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ；d e m o d u l a t i o n ：h i g hp r e c i s i o nd i s p l a c e m e n ts e t ； c a n t i l e v e rb e a m ；m e t a l i z e df i b e rb r a g gg r a t i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：边塞 日期：坦2 11 2 ：堡 大连理_ t 大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：毖 导师签名缝堑 塑2 年j 兰月j 生日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题的提出 以光纤通信和光纤传感技术为代表的信息技术和传感技术，在2 0 世纪后半叶至今 的几十年里日新月异，极大地推动了人类社会的进步。光纤传感以其不受电磁干扰、灵 敏度高、质量轻、体积小、易于复用、可以远距离遥测、能埋入工程结构等特点，在传 感领域备受关注，并得到了广泛应用，已经成为传感技术发展的主流方向之一。 近十几年来，光纤光栅技术引起了人们的极大兴趣。这是因为光纤光栅不但继承了 光纤在通信和传感领域的许多优点，而且给相关领域带来了又一次里程碑式的革命，使 人们可以设计和制作大量基于光纤光栅的新型光有源无源器件和智能传感器【l 】。 光纤光栅的研究最初主要集中在光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 。1 9 7 8 年，加拿大通信研究中心的h i l l 等人首次利用驻波干涉法，在掺锗光纤中研制出世界上 第一个永久性的、可实现反向模式间耦合的光纤光栅一光纤布拉格光栅【2 1 。1 9 8 9 年， 美国东哈特福德联合技术中心g m e l t z 等人，用两束相干紫外光形成的干涉条纹侧面曝 光载氢光纤制作光纤b r a g g 光栅【3 】。1 9 9 3 年，h i l l 等人又提出用紫外光垂直照射相位掩 模形成的衍射条纹曝光载氢光纤写入光纤布拉格光栅 4 1 ，使得光纤光栅真正走向实用化 和产业化，并已成为光纤通信和传感领域中最重要的器件之一。 光纤光栅是光纤光栅传感器的核心，它是一种无源器件，是光纤纤芯内折射率受永 久性、周期性调制的一种特殊光纤。它利用掺杂( 如锗、磷等) 光纤的光敏性，通过某种 工艺方法使外界入射光子和纤芯内的掺杂离子相互作用，从而导致纤芯折射率沿光纤轴 向呈周期性或非周期性的永久变化，在纤芯内形成空间相位光栅，其实质是在纤芯内形 成一个窄带的( 透射或反射) 滤波器或反射镜，利用这一特性，可以构成许多性能独特的 光纤无源器件和光纤传感器，广泛应用在光纤通信和传感领域。例如，可构成光纤激光 器、光纤滤波器、光纤波分复用器，以及用于应力、应变、温度等诸多参量检测的光纤 传感器，其广阔的应用前景如图1 1 所示1 5 1 。 波长解调是光纤b r a g g 光栅传感系统实用化所面临的最大难题之一，其核心问题在 于设计高分辨率、低成本的波长检测方法。目前，有两个主要的解决途径：一是提高传 感光栅对待测量的波长响应灵敏度，这需要从特殊光栅传感探头的制作入手；二是改进 波长编码信号的解调方法，综合考虑分辨率与成本【6 】。 基丁：匹配滤波的光纤b m g g 光栅解调系统研究 图1 1 光纤光栅的应用 f i g 1 1a p p l i c a t i o no f f i b e rb r a g gg r a t i n g 光谱分析仪检测法是一种最直接、简单的波长移动检测方、法【”，这种方法适宜于实 验室使用，但是受到光谱仪分辨率的限制，传统的以色散棱镜或衍射光栅为基础的光谱 仪分辨率较低，无法满足要求。虽然，高分辨率的光谱分析仪的分辨率可以满足要求， 但是这种仪器体积大、结构复杂、价格昂贵，需要频繁的校准，不适用于工程实地测量。 所以，在一个面向实际应用的传感器系统中，采用这类光谱仪检测光栅的波长位移是不 合适的，更重要的是它不能直接输出对应于波长变化的电信号，不容易实现对测量结果 的记录、存储和显示，更不能提供给控制回路必要的电信号，以达到工业生产过程自动 控制的目的。因此，研究一种具有高灵敏度、操作简单、价格低廉和适用于工程应用的 波长检测技术，对于光纤光栅传感器的最终应用具有重要的意义，这就是本课题的出发 点。 1 2 光纤光栅传感器的特点及应用 由于光纤光栅与光纤之间天然的兼容性，很容易将多个光纤光栅串联在一根光纤上 形成光纤光栅阵列，实现准分布传感测量。另外，光纤光栅具有普通光纤的许多优点， 大连理工大学硕士学位论文 且本身的传感信号为波长调制，测量信号不受光源起伏，光纤弯曲和系统损耗的影响【8 j ， 因此，光纤光栅在传感领域的应用引起了世界各国学者的广泛关注和极大的兴趣。 1 9 8 9 年，m o r e y 等人首先对光纤光栅的应变和温度传感特性进行了研究【9 】，目前的 研究已经发展到包括光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、位移传感器、 压力传感器等众多类型的传感器，并已经在很多的领域取得了成功的应用【lo 】。 土木工程中的结构监测，是光纤光栅应用最活跃的领域之一。力学参量的测量，对 于桥梁、大坝、海上石油平台，建筑物等的维护和健康状况监测是非常重要的，通过检 测上述结构的应变，可以预知结构局部的载荷和健康状况。光纤光栅传感器可以粘贴在 结构的表面或者预先埋入结构中，对结构同时进行健康监测、冲击监测和阻尼监测等。 另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式监测，并可 以通过计算机对传感信号进行远程控制。 1 9 9 3 年，加拿大卡尔加里附近的b e d d i n g t o nt r a i l 大桥，是最早使用光纤光栅传感 器进行测量的桥梁之一，有1 8 个光纤光栅传感器贴在混凝土支撑的钢增强杆和碳纤复 合材料上，用于对桥梁进行长期的检测。1 9 9 9 年，美国新墨西哥州的一座钢结构桥梁上， 安装了1 2 0 个光纤光栅传感器，创造了单座桥梁上使用该类传感器最多的记录( 1 l 】。2 0 0 1 年，欧进萍等人【1 2 】在黑龙江呼兰河大桥的施工过程中，安装了1 2 个光纤光栅应变传感 器和3 个温度传感器，成功地检测了预应力箱形梁张拉过程的钢筋应变历程，以及箱形 梁静载试验的钢筋应变增量与分布。 2 0 0 2 年，我国武汉理工光科公司，将光纤光栅传感技术应用到了当时世界最大的面 板坝清江水布垭水电枢纽工程大坝中，检测大坝的渗流、渗压和应力应变，取得了 良好的效果；同时将该技术应用在三峡工程重点文物白鹤梁水下博物馆安全检测 中，也取得了成功i l ”。 航空航天业是使用传感器较多的领域。例如，一架飞行器为了监测压力、温度、振 动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等，需要使用的传感器超过1 0 0 个， 因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤光栅传感器只需要单根光纤，敏感元件( 光 栅) 制作在纤芯中，从尺寸小和重量轻的优点来讲，几乎没有其它传感器可与之相比【1 4 1 。 因此，航空航天业对光纤光栅传感技术非常重视，仅波音公司就注j 1 | 了好几个光纤光栅 传感器的技术专利。 在光纤光栅传感器应用方面，唯一可以和飞行器相提并论的就是船舶。现代船用传 感器中，大约9 0 是压力或温度传感器，它们能为现代船舶的操作提供丰富的信息，能 提供船舶操作人员所需要的早期危险报警和损伤评估，保证船舶安全航行。先进的复合 材料越来越多地引入船舶的设计和制造，它可以极大地减轻船舶的重量，这对于快速船 基于匹配滤波的光纤b r a g g 光栅解调系统研究 舶特别有意义。为了获得复合材料结构的强度和成本的优化，h j e l m e t l 5 等人用光纤光栅 传感系统对一个按比列缩小的双体船模型进行了测量，记录了甲板和海浪之间的冲击 力、结构的动态荷载以及弯曲力矩。 电力工业中的设备大都处在强电磁场中，一般电类传感器无法使用。很多情况下需 要测量的地方处在高压中，如高压开关的在线监测，高压变压器绕组、发电机定子等处 温度和位移等参数的实时测量，光纤光栅传感器是进行这些测量的最佳选择【1 4 1 。 h a m m o n 等人演示了用光纤光栅传感器测量高压变压器的绕组温度，长期监测的精度已 达到+ 3 c 1 6 l 。 石化工业属于易燃易爆的领域，电类传感仪器用于诸如油气罐、油气井、油气管 等地方的测量非常不安全。光纤光栅传感器因其本质安全，非常适合石油化工领域的应 用【1 4 1 。 永久连续的井下传感有利于油田的管理、优化和发展。挪威的o p t o p l a n 1 7 l 正在开发 用于永久井下测量的光纤光栅温度和压力传感器。2 0 0 3 年，欧进萍等人在渤海c b 3 2 a 导管式海洋石油平台上，使用2 5 9 个光纤光栅传感器，建立了健康监测系统【1 8 】，s p i r i n 等人【1 9 j 设计了一种用于漏油检测的光纤光栅传感器，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， 聚合物膨胀拉伸光纤光襁，使光栅中心波长漂移，通过检测这个漂移就可以达到报警的 目的。 光纤光栅周围化学物质浓度的变化，通过倏逝场影响光栅的布拉格波长，通过对光 纤光栅进行特殊处理，可以制成探测各种化学物质的光纤光栅化学传感器。此外，光纤 光栅传感器还在地球动力学、医学、核工业等方面得到了成功的应用。 1 3 光纤光栅解调技术的研究现状 光纤传感器从原理上讲，包含对外界信号的感知和传输两种功能。传输是指光源发 出的光经由光纤传递到光调制区域，再由光纤将受外界信号调制的光传输到光探测器进 行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理，称之为解调。在实际工 程的应用中，光纤光栅传感信号的解调通常包括两部分：一部分为光信号的处理，主要 是将光信号的波长信息转化为电信号，另一部分为电信号处理，主要是对电信号的运算 处理，提取外界信息并以人们熟悉的形式输出显示。其中，光信号的处理，即传感光栅 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 中心反射波长的跟踪分析是其核心部分，相当程度上决定了解调的分辨率，可靠性和成 本。 对光纤b r a g g 光栅传感信号的解调，传统的方法是使用光谱仪、单色仪等仪器，但 这些解调方法成本高、体积大，不方便携带，不适合现场使用。为此，国内外围绕这一 课题开展了广泛的研究，力求开发出具有高灵敏度、低成本、适于实际工程应用的解调 系统。到目前为止，人们已经提出了十多种解调方法1 2 0 - 37 l ，下面就一些典型的解调方法 作一介绍。 ( 1 ) 干涉法 1 9 9 2 年，a d k e r s e y 等人首先提出了干涉解调法i 捌，该方法的原理如图1 2 所示。 宽带光源( b b s ) 发出的光经过耦合器入射到传感光纤光栅，其反射光经另一耦合器进 入不等臂长的m a c h z e h n d e r 干涉仪( 两臂光程差为n d ) ，干涉仪把传感光栅的中心反射 波长偏移量转化为相位变化量。f b g 的反射波长变化a 丑时，m z i 输出的相位变化为： 妒( 五) = - 2 n n d a 2 俨 ( 1 1 ) 式中，行是光纤的有效折射率，d 是干涉仪两臂的长度差，旯是f b g 反射光的中 心波长。由探测器测知，便可得到f b g 波长变化量，从而探知被测信号大小。该方 法适用于动态参量的高分辨率测量，具有低于纳米级的应变分辨率。利用此方法可以构 成时分复用分布式传感系统。该装置虽然能够提供宽带宽、高解析度的解调能力，但随 机相移使得该方法局限于测量动态应变，不适合于绝对应变的测量，且干涉仪相位变化 2 z t ，决定其测量范围非常有限，并出现绝对波长测量的损耗。 对于干涉扫描法而言，波长扫描器件的自由光谱范围决定了确定测量范围的大小， 波长扫描器件的光程差决定了测量的分辨率。波长扫描器件的自由光谱范围与光程差是 互相制约的，因而系统的测量范围与分辨率也是互相制约的。为了在保持测量分辨率 的前提下扩大测量范围，r a oyj 等提出了一种双腔长( 双光程差) 干涉扫描法【2 l l 。该系 统通过改变光程差获得两套条纹，利用大光程差来获得高分辨率，而利用小光程差来确 定前者的条纹极数，从而扩大了测量范围。 2 0 0 1 年，黑龙江大学余有龙提出了一种基于干涉解调技术的光纤光栅传感系统i 蠲， 用非平衡波长扫描迈克耳孙干涉仪，将来自传感光栅的包含应变信息的波长信号变为相 位信号，借助相位计显示的相位变化，确定待测应变的大小。2 0 0 5 年，余有龙又提出了 一种基于寄生干涉结构的传感解调装置【矧，其原理如图1 3 所示，当自发辐射源( a s e ) 发出的光波经隔离器( i s o ) 进入干涉结构中，经3 d b 耦合器之后的两光波传至起传感作 用的f b g 时，满足布拉格波长的光波将被反射，其它波长的光波将透过光栅，对布拉 基于匹配滤波的光纤b m 鳄光栅解调系统研究 格波长的光波来说此结构为m i c h e l i n 干涉装置，而对其它波长来说此结构为s a 舶a c 干 涉装置。光在此结构的传输过程中，无论顺时针方向还是逆时针方向传播，光程都相等， 相差为万，因此，不考虑s a 弘a c 干涉场，结构的输出仅受m i c h e l s o n 干涉的影响。该系 统的灵敏度为1 5 9 。g e ，信噪比为1 5 d b ，具有波分复用的能力。由于f b g 对环境温度 较为敏感，实际应用中应采取措施提高器件的工作稳定性。 图1 2 干涉法解调示意图 f i g 1 2 s k e t c ho f m t 枞d o d u l a i i o n 图1 3 寄生干涉解调的示意图 涮n 删 ( 2 ) 可调光纤f p 滤波器解调法 1 9 9 3 年，k e r s e y 等人提出可调光纤f p 滤波器解调法。对单个光栅采用闭环模式， 对复用系统的光栅使用扫描模式，其结构如图1 4 所示【2 4 】。宽带光源发出的光，经隔离 器进入传感光栅阵列，反射光信号经耦合器到达可调谐f p 滤波器，f p 滤波器工作在 6 大连理工大学硕士学位论文 扫描状态，锯齿波扫描电压加在压电元件上调整腔间隔，使其窄通带在一定范围内扫描。 当它与传感光栅的布拉格波长相匹配时，则允许传感光栅反射的信号通过。因此，可由 f p 滤波器驱动电压一透射波长关系测得f b g 反射峰位置。由于透射谱是反射谱与f p 滤波器透射谱的卷积，会使带宽增加，分辨率减小。为此，在扫描电压上加- d , 的抖动 电压，输出经混频器和低通滤波器，测量抖动频率。在信号为零时，可测得光栅的反射 峰值波长，大大提高系统的分辨率。由于f f p 调谐范围很宽，可实现多传感器的解调。 该系统可用于静态或准静态信号的测量，但高精细度f f p 成本太高，滤波损耗较大。 2 0 0 5 年，武汉理工大学光纤中心的罗铁亮、高雪清等人，在此方案的基础上，提出 利用d s p 芯片运算速度快、可以对信号进行降噪处理等优点，设计了采用d s p 系统的光 纤光栅传感器的解调器【2 5 1 。 图1 4 卜p 滤波解调法的示意图 f i g 1 4 s k e t c h o f t h e f - p f i l t e r d e m o d u l a t i o n ( 3 ) 匹配滤波法 该方法使用具有相同参数f b g 作为带通滤光元件，在驱动元件( 通常是压电陶瓷 p z t ) 的作用下跟踪敏感f b g 的波长变化，通过测量驱动元件的驱动信号获取被测应变 和温度。匹配滤波法又分反射式和透射式两种。 反射型系统的原理是通过p z t 驱动匹配f b g 进行扫描，调节其反射中心波长。当 接收光强增大，达到与传感光栅中心波长完全匹配时，根据探测器的输出，记录此时驱 动信号的大小，就可以得到被测量的大小，原理如图1 5 ( a ) 所示。该方法的精度受光源 稳定性和外界干扰的影响较大，同时对探测器也提出了较高的要求【2 6 , 2 7 。传感光栅阵列 的解调原理与单个光栅的解调原理基本相同，该方法调谐简单、线形度好，系统分辨率 取决于所使用的f b g 带宽，信号光经过多耦合器到达匹配f b g 导致了信噪比下降。 基于匹配滤波的光纤b r a g g 光栅解调系统研究 ( a ) 反射式 ( b ) 透射式 图1 5 匹配滤波法解调的示意图 f i g 1 5 s k e t c ho f t h em a t c h i n gf i l t e r i n gm e t h o dd e m o d u l a t i o n 针对信噪比下降这一问题，d a v i s 等提出了透射型的测量方案 2 8 】。此方法对测量微 弱光强的信号效果也比较好，信号光功率利用率高，缺点是多个p z t 造成跟踪控制较复 杂，非线性误差较大，原理如图1 5 ( b ) 所示。 ( 4 ) 可调谐光源法 1 9 9 8 年，y u nsh 等人采用波长扫描光纤激光器( w s f l ) 来测量f b g 反射光波长的 变化【2 9 】。w s f l 包括半导体泵浦的掺铒光纤放大器和可调扫描滤波器，输出的激光波长 在一定的范围内连续变化。激光被耦合到f b g 阵列中，通过测量f b g 与参考f b g 反 射光之间的时间间隔来确定光波长的变化。该方法的反射光能量高，信号易于检测，分 辨率高，多路复用的实现简单，但是光源的设计制作难度较大，对时间间隔的测量要求 高。 2 0 0 6 年，w a n g 等人在此方法的基础上，采取闭环跟踪模式与扫描模式相结合的方 式，通过改变锯齿波电压实现静态和动态的测量0 0 。工作原理如图1 6 所示，当光源的 波长与光栅的波长域重合时，锯齿波电压将停止增加，并保持一段时间，此时，传感元 素将被锁定用于动态测量；由虚拟仪器( v i ) 控制的锯齿波将升高到一个更高的电压，以 保证光源的波长跳出光栅的波长域。重复扫描和保持的过程，就可以实现传感阵列中的 每一个光栅的测量，只要检测所有的偏置电压和反馈电压，就可以分别测得静态和动态 的结果。系统对于静态和动态测量的分辨率分别达到了约1 w 和3 4n s 胁，解决了 静态和动态同时测量的难题，但是动态解调范围只有8 5 0 9 e ，还需进一步的改进。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 图1 6 可调谐光源法解调的示意图 f i g 1 6 s k e t c ho f t u n a b l el i g h t8 0 u i c 0d e m o d u l a t i o n 此外人们还提出了边缘滤波法【3 l 】，声光滤波器法【3 2 1 ，啁啾光栅法 3 3 - 3 5 】，气体谱线参 考法【3 6 ，7 1 等多种解调方法，通过对这些解调方法的研究，可以看出如下几个特点及发展 方向： ( 1 ) 使用一种方法难以达到较好的解调效果，可将多种解调方法结合起来使用。 ( 2 ) 已有的解调手段主要是参量转化、窄带光源扫描、宽带光源结合窄带滤波器等， 可以考虑与相关的算法结合进行解调。 ( 3 ) 同时进行静态和动态解调依然是人们研究的一个热点，虽然上面提到的方法在 此方面已经有了一定的进展，但是距离实际应用还有许多研究工作要做。 ( 4 ) 弱光信号的检测问题，可以通过光路的设计、消除噪声等方式提高解调信号的 信噪比。 1 4 本文的主要任务 本文开展了匹配滤波法的光纤b r a g g 光栅解调的研究，主要工作有以下几个方面： ( 1 ) 采用相位掩模法制作光纤b r a g g 光栅，探索制作光栅的最佳工艺，并对退火特 性进行研究。 ( 2 ) 设计精密电控平移台的控制电路，以a t 8 9 c 5 2 单片机为核心，设计下位机控 制系统，通过控制步进电机实现精密电控平移台的精确移动。在联机状态下，通过串行 口跟上位机交互，实现对下位机的控制。单片机程序采用k e i lc 语言编写。使用p r o t e l 设计制作电移台控制电路和光电信号转换、放大、采集电路。 ( 3 ) 采用所设计的调谐装置，研究普通光纤b r a g g 光栅和金属化光纤b r a g g 光栅的 应变调谐特性。 ( 4 ) 采用v c 编写上位机程序，实现对电移台控制、光电信号采集，跟踪传感光栅 的信号变化，并采用相应的算法实现解调等功能。 基于匹配滤波的光纤b r a g g 光栅解调系统研究 2 光纤b r a g g 光栅的传感原理及制作 2 1 光纤光栅的分类 在光纤光栅出现至今的短短2 0 多年里，由于研究的深入和应用的需要，各种用途 的光纤光栅曾出不穷，种类繁多，特性各异【l 】。人们从不同的出发点提出了很多分类方 法，各种分类方法虽不完全相同，但归结起来主要可从光纤光栅的周期、相位和写入方 法等几个方面对光纤光栅进行分类。 ( 1 ) 按光纤光栅的周期分类 根据光纤光栅周期的长短，通常把周期小于1 “m 的光纤光栅称为短周期光栅，又 称为光纤布拉格光栅或反射光栅；而把周期为几十至几百微米的光纤光栅称之为长周期 光栅，又称为透射光栅。短周期光纤光栅的特点是传输方向相反的模式之间发生耦合， 属于反射型带通滤波器。长周期光纤光栅的特点是同向传输的纤芯基模和包层之间的耦 合，无后向反射，属于透射型带阻滤波器。 ( 2 ) 按光纤光栅的波导结构分类 根据光纤光栅的波导结构即光栅轴向折射率分布，光纤光栅可分为均匀光纤光栅、 啁啾光纤光栅、高斯变迹光纤光栅、升余弦变迹光纤光栅、相移光纤光栅、超结构光纤 光栅、倾斜光纤光栅等。特殊折射率调制的光纤光栅，其特点是折射率调制不能简单的 归结为以上某一类，而是两种或多种光栅的结合或者折射率按某一特征函数变化，这种 光纤光栅往往在光纤传感和通信领域有着特殊的应用。 ( 3 ) 按光纤光栅的形成机理分类 利用光纤的光敏性制作的光纤光栅。即利用激光对掺杂光纤曝光，诱导其光敏 性的变化而导致折射率变化，从而形成光栅。一般是利用紫外光通过相位掩模或振幅掩 模曝光载氢掺锗光纤，通过掺锗光纤的光敏性引起纤芯折射率周期性调制，从而形成光 纤光栅。 利用弹光效应形成的光纤光栅。其特点是利用周期性的残余应力释放，或光纤 的物理结构变化，从而轴向周期性地改变光纤的应力分布，通过弹光效应导致光纤折射 率发生轴向周期性变化。 由于目前对各种光纤光栅的形成机理的解释还不完全统一，以致以上按形成机理的 分类可能不是很全面，但相信随着研究的深入，按形成机理的分类必将更加完善。 ( 4 ) 按光纤光栅的材料分类 大连理工大学硕士学位论文 按写入光栅的光纤材料类型，光纤光栅可分为硅玻璃光纤光栅和塑料光纤光栅。目 前研究和应用最多的是在硅玻璃光纤中写入光纤光栅，在塑料光纤中写入的光纤光栅已 引起了人们越来越多的关注，该种光纤光栅在通信和传感领域有着许多潜在的应用，因 其具有很大的谐振波长可调谐范围( 7 0 r i m ) 及很高的应变灵敏度。( 注：本文从下一节开 始，如果没有特殊指出，所有的光纤光栅和f b g 都是指光纤b r a g g 光栅。) 2 2 光纤b r a g g 光栅的传感原理 光纤b r a g g 光栅是较常用的一种光纤光栅，它通过改变光纤芯区折射率，产生小的 周期性调制，其折射率变化通常在1 0 5 10 - 3 之间。光纤b r a g g 光栅的折射率分布与反射、 透射特性如图2 1 所示。由于周期的折射率扰动仅会对很小的光谱产生影响，因此，如 果宽带光波在光栅中传输，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光谱则不 受影响，这样光栅就起到了光波选择的作用。对于这类调谐波长反射现象的解释，首先 是由威廉布拉格爵士提出，因而这种光栅被称为布拉格光栅，反射条件成为布拉格条 件。 入射光i i 反射光i r 透射光i t 引起 移 图2 1 光纤b r a g g 光栅结构及反射和透射特性 f i 昏2 1 s k e t c h o f f b gs t r u g t u r e a n d i t s p r o p e r t i e s o f l i g h tr e f l e c t i n ga n d t r a n s m i t t i n g 光纤b r a g g 光栅的中心波长与有效折射率的数学关系是研究光栅传感的基础。从麦 克斯韦经典方程出发，结合光纤耦合模理论，利用光纤光栅传输模式的正交关系，得到 布拉格光栅发射波长的基本表达式为： 五= 2 恸a ( 2 1 ) 基于匹配滤波的光纤b r a g g 光栅解调系统研究 其中：谤为光纤纤芯的有效折射率；a 为光栅栅距周期。”盯、a 受外界环境的影响所 产生的变化为，l 和a ，导致中心b r a g g 波长发生偏移九。由b r a g g 条件可得； 砧= 2 ( a a n 够+ n e f f a r t ) 上式表明，反射波长偏移与光纤纤芯的”咿和彳的变化有关。 2 。2 1 光栅的温度特性 假设f b g 不受应力的作用，温度均匀分布，当温度发生变化( 力时， 热涨效应使f b g 伸长而改变其光栅周期，可以表示成： 1a a 口2 一 a ， 式中：口为光纤材料的膨胀系数。对于掺锗石英光纤，n 取5 5 x 1 0 。 另一方面，热光效应使光栅区域的折射率发生变化，可以表示成： 卢：1 a n e f f j n 啦阻 ( 2 2 ) 一方面由于 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式中：亡为光纤材料的热光系数。对于掺锗石英光纤，孝取7 1 x 1 0 - 6 ，有效折射率 ，l 。= 1 4 5 6 。所以，温度对f b g 波长漂移的影响为： 兰晏l ：( 口+ 善) r ：7 6 5 1 0 6 丁 ( 2 5 ) 如 分别取光纤光栅的中心波长为1 5 4 5 n m 和1 5 5 0 r i m ，相应的温度灵敏度系数为 1 1 8 2 p m 4 c 和1 1 8 6p m c 。 2 2 2 光栅的应变特性 当f b g 受到均匀轴向应力拉伸或压缩时，根据材料力学原理，一方面f b g 被机械 性的拉伸而改变其光栅常数，可以表示为： 竽：竽：毛 ( 2 6 ) a工 4 其中：鼻为考察点处轴向应变，同时弹光效应使得f b g 折射率发生变化： 大连理工大学硕士学位论文 垒堑：一霉【日：一( 只+ 驯毛 ( 2 7 ) l 珂 其中：片。和兄为p o c k e l 系数，p 是光纤材料的p o i s s o n 比，定义有效弹光系数n 为： 凡：霉 吃- a ( p + 日2 ) k ( 2 8 ) 对于参锗石英光纤，日。= o 1 2 1 ，最= o 2 7 ，旷o 1 7 ，计算得凫卸2 2 。因此轴向应变 对f b g 波长漂移的影响为： 竽：( 1 一嗣 ( 2 9 ) 可以看出，当f b g 的材料一旦确定，其对应变的传感特性基本上是与材料系数相 关的常数，这从理论上证明了光纤光栅有很好的线性应变特性。得到波长的变化厶， 就可以方便的求出应变t 。实际应用中，鼻是很小的量，通常使用肛作为度量应变单 位。光纤光栅所允许的应变可达到l ，当超过5 时，光纤即发生断裂。分别取光纤光 栅的中心波长为1 5 4 5 n m 和1 5 5 0 r i m ，相应的每个微应变引起的波长漂移为1 2 0 5 p r o 和 1 2 0 9 p m 。 2 2 3 光栅的压力特性 当压力变化( a p ) 时，f b g 的反射波长也会发生变化，可表示成： 等= 呋坠0 p + 寺塑o p 】廿 ( z 。) 以 a 行 。 其中： 焉o a 一0 - 2 ) ( 2 1 1 ) a a pe 寺盟=立0-2*x20p 2 e 即黝 “ 将( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 代入( 2 1 0 ) 得： 等十警+ 箕2 e ( 1 刊( 2 圪p 占 。 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 基丁二匹配滤波的光纤b r a g g 光栅解调系统研究 裸光纤光栅的压力响应灵敏度的典型值为3 1 3 p m m p a ，当采用有机弹性体、波纹 管和膜片等对光纤光栅进行封装后，其压力响应灵敏度可以提高很多【3 8 1 。可见f b g 传 感器对压力不太敏感，要借助某种装置将压力转化为对f b g 作用的应力，即采取增敏 措施。其他物理量无论直接或间接作用于光栅，只要影响f b g 格栅间光程，就可以被 f b g 所感测【3 9 1 。 2 3 光纤b r a g g 光栅的制作 2 3 1 光纤b r a g g 光栅制作工艺的简介 随着紫外写入光纤光栅技术的日趋成熟，现在已经有了多种光纤光栅的制作方法， 如全息干涉写入法、分波面干涉法、逐点写入法和相位掩模法等。这里对目前常用的全 息干涉写入法和相位掩模法作一介绍。 ( 1 ) 全息干涉写入法 全息干涉写入法是最早用于横向写入制作f b g 的一种方法，其写入过程如图2 2 所示。其基本原理是入射紫外光经分光镜分成两束，经全反射后相交于光纤上，产生干 涉场，形成正弦分布明暗相间的干涉条纹。光纤经过一定的时间照射，在纤芯内部引起 和干涉条纹同样分布的折射率变化，从而在光纤上写入正弦分布的体光栅。 图2 2 全息干涉写入法制作f b g 的示意图 f i g 2 2 f a b d c a t i o no f f i b e rb r a g gg r a t i n gi nh o l o g r a p h ym e t h o d 这种方法最大的优点在于突破了纵向驻波法对布拉格中心反射波长的限制，可以更 充分地利用最感兴趣的波段。它既行之有效，又操作简单，通过改变入射光的波长、干 涉光束的夹角或者旋转光纤放置的位置，都可以改变f b g 的光栅周期，从而控制h 和 大连理工大学硕士学位论文 反射率r ；如果将光纤以一定弧度放置于相干场，又可以很容易得到带有c h j f p 的光纤 光栅。 但是该方法对光源的时间相干性和空间相干性有很严格的限制，要得到准确的布拉 格中心反射波长，对光路的调整有着极高的精度要求。而且这种方法要有一定的曝光时 间，这就要求在曝光时间内光路保持良好的稳定性，以避免波长量级的扰动造成光路错 位，影响相干效果。 ( 2 ) 相位掩模法 1 9 9 3 年，h i l l 等人利用相位掩模法代替干涉法对光纤进行直接刻蚀 4 0 l ，这是目前 最有用途、使用最广的一种方法。成栅机理是：入射的紫外光通过一衍射光栅将单一光 束分成几个衍射级，利用各衍射级之间的干涉效应，形成不同周期的衍射条纹，使纤芯 的折射率形成周期性分布。 相位掩模版是在计算机控制下精密制成的相位衍射元件，用均匀相位掩模板制作光 纤b r a g g 光栅如图2 3 所示。紫外激光垂直照射掩模板产生衍射，0 级衍射光受到抑制 ( 3 ) ，士1 级分别达到最大值( 3 5 ) ，衍射光相干涉形成明暗相间、周期相同的干涉条纹， 干涉条纹照射到光敏光纤上，就制作出周期与干涉条纹周期相同的光纤b r a g g 光栅。 o 级衍射 图2 ，3 相位掩模板示意图 f i g 2 3 s k e t c hm a p o f p h a s em a s k 相位掩模法的优点在于对光源相干性要求低，易于得到准确的光纤光栅周期，且光 栅的周期与光源的波长无关，具有稳定性好、重复性高等特点，易于批量生产。其缺点 是成本相对较高，一块相位掩模板只能制作周期相同的光纤光栅。 除了相位光栅，还采用振幅光栅来实现光纤光栅的制作。成栅原理是通过一个光学 成像系统，将振幅光栅产生的0 级衍射阻挡掉，同时将士l 级衍射光经变化后在光纤所 基于匹配滤波的光纤b r a g g 光栅解调系统研究 在的区域相干，从而实现光纤光栅的制作。与相位掩模法相比，振幅掩模法的优点是模 板制作相对简单，成栅周期大。缺点是无法制作出一阶反射波位于1 5 5 0 r i m 附近的光纤 b r a g g 光栅，对光源空间及时间相干性的要求与全息干涉法基本相同，所以在实际应用 中受到很大的限制。 2 3 2 光纤的光敏性 光纤的光敏性是制作光纤光栅的基础，它是指当光纤曝光于具有特定波长和强度的 射线下，纤芯的折射率发生永久性变化。光纤对紫外光的吸收诱导光纤的折射率随着紫 外光强的