（测试计量技术及仪器专业论文）分布式光纤光栅传感系统的研究.pdf

摘要 论文题目：分布式光纤光栅传感系统的研究 学科专业：测试计量技术及仪器 作者姓名：赵晓华 指导教师：胡辽林副教授 答辩日期：2 0 0 8 年3 月 摘要 签名： 签名： 当前，单点光纤光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 传感技术在传感器领域中发展极 为迅速，然而在一些大型工程及结构监测中常常需要大量的传感器，比如对飞机结构进行 监控需要近5 0 0 0 个传感器，这是单点光纤光栅传感技术所无法实现的。基于这种现状， 人们开始关注分布式光纤光栅传感技术的研究。 本文首先介绍了f b g 的传感理论模型，用数值模拟的方法分析了f b g 的结构参量对 其频谱特性的影响，研究了f b g 的温度传感原理，并对中心波长为1 5 4 9 n m 的裸单模光 纤光栅的温度传感特性进行了实验研究。实验结果表明该光栅的b r a g g 波长变化量与温度 变化量之间存在着良好的线性关系，与理论分析相当吻合。 接着，介绍了探测器对分布式传感信号的分辨条件，给出了多点温度传感原理的数学 表达式，并分析了由光源带宽决定的系统实际复用能力。通过对由三个f b g ( b r a g g 波长 分别为1 5 4 9 n m ，1 5 5 0 n m ，1 5 5 l n m ) 串联组成的线型传感阵列进行温度传感实验，发现 实验系统无串扰现象，并且实验系统的一条支路最多可串接3 9 个f b g 传感器。通过损耗 模拟距离的实验方法分析了距离在分布式传感系统中的影响，并得出本实验系统的可靠传 输距离约为5 0 k m 。 最后综述了当今国内外常用的f b g 波长解调方法及其复用网络波长解调技术，设计 了一种基于可调谐f p 滤波器的分布式光纤光栅传感解调系统，对其光路和电路硬件系统 进行了具体的描述。其中解调电路包括：光电信号检测电路、基于单片机的信号处理电路、 可调谐光纤f p 滤波器驱动扫描电路等。指出了系统存在的可进一步改进的部分，并且给 出了解决存在问题的方法和措施的建议。 关键词：f b g ；分布式传感；复用技术；波长解调 a b s t r a c t t i t l e ：s t u d yo nt h ed i s t r i b u t e df i b e rb r a g gg r a i t i n g s e n s l n gs y s t e m m a j o r ：m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t a t i o n n a m e ：z h a ox i a o h u a s u p e r v i s o r ：p r o f h ul i a o l i n d e f e n s ed a t e ：m a r c h2 0 0 8 a b s t r a c t s i g n a t u r e ：型竺区砬如 s i g n a t u 阳：丝丝丝塑 a tp r e s e n t ，s i n g l ef b g ( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) s e n s o rt e c h n i q u eh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y h o w e v e ral a r g en u m b e ro fs e n s o r sa r en e e d e df o rs t r u c t u r e s m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l i n gi n l a r g e s c a l ep r o j e c t s f o re x a m p l ea tl e a s t5 0 0 0s e n s o r sa r en e c e s s a r yt om o n i t o ra na i r p l a n e s c o n s t r u c t i o n t h e r e f o r es i n g l ef b gs e n s o rc a nn o tf u l f i l lt h e s ep r a c t i c a ln e e d s n o wp e o p l e s t a r tt op a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ed i s t r i b u t e df b g s e n s i n gs y s t e m f i r s t l y , w eg i v et h e o r e t i c a lm o d e lo ff b g s e n s o ri nt h i sp a p e r b a s e do nn u m e r i c a l c a l c u l a t i o n ，t h ei n f l u e n c eo ff b gp a r a m e t e r so nt h eg r a t i n g sf r e q u e n c ys p e c t r u mp r o p e r t i e sa l e s t u d i e di nd e t a i l ，a n dt h et e m p e r a t u r es e n s i n gp r i n c i p l e so ff b ga r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y b yn a k e ds i n g l e - m o d ef b g w h o s ew a v e l e n g t hi s15 4 9n n l i ti sf o u n dt h a tv a r i a t i o n so fb r a g g w a v e l e n g t ha r el i n e a rw i t hv a r i a t i o n so ft e m p e r a t u r e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa l ea g r e e m e n t w i t ht h e o r e t i c a la n a l y s s e c o n d l y , t h ec o n d i t i o no fs i g n a lr e s o l u t i o nf o rf b g d i s t r i b u t e ds e n s o r si si n t r o d u c e d ，t h e m a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n so ft h em u l t i - p o i n tt e m p e r a t u r es e n s i n ga r eg i v e n w ea l s oa n a l y z et h e s y s t e mm u l t i p l e x i n gc a p a c i t yd o m i n a t e db yo p t i c a ls o u r c eb a n d w i d t h t h r o u g ht e m p e r a t u r e s e n s i n ge x p e r i m e n tw i t ht h ef b ga r r a y , w h i c hi sc o n s i s t e do ft h r e ef b g s ( w h o s eb r a g g w a v e l e n g t ha l e15 4 9n l n ，15 5 0n n la n d15 51n l t i ) ，n oc r o s s t a l kc o n d i t i o n si nt h ee x p e r i m e n t a l s y s t e ma r ec o n c l u d e d ，a n da sm u c ha s3 9f b g sc a nb eu t i l i z e d b yu s i n g t h em e t h o do ft a k i n g t h el o s st os i m u l a t et h ed i s t a n c e ，t h ee f f e c to fd i s t a n c eo nt h ed i s t r i b u t e ds e n s i n gs y s t e mi s c o n s i d e r e de x p e r i m e n t a l l y a n di ti ss h o w nt h a tt h er e l i a b l et r a n s m i s s i o nd i s t a n c ei s5 0k mi n t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m f i n a l l y , f b gs e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g y a n ds o m em e t h o d so ff b gw a v e l e n g t h d e m o d u l a t i o na r ed e s c r i b e d b a s e do nat u n a b l ef pf i l t e r , ak i n do fp a r a l l e ld e m o d u l a t i o n s y s t e mi sd e s i g n e d t h eh a r d w a r ep a r to ft h ed e m o d u l a t i o ns y s t e mi n c l u d e st h ep h o t o e l e c t r i c i i i x i a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s i g n a lt e s tc i r c u i t ，t h es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，a n dt h ev o l t a g es c a n n i n gc i r c u i to ft u n a b l ef p f i l t e r i nt h ee n ds o m ei m p r o v a b l em e t h o d so ft h ed e s i g n e ds y s t e ma r ep o i n t e do u t k e yw o r d s ：b r a g gf i b e rg r a t i n g ；d i s t r i b u t e ds e n s o r s ；m u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g y ；w a v e l e n g t h d e m o d u l a t i o n i v 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 硼年弓月7 1 1 日 学位论文使用授权声明 本人丝旦盏；垒在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 做作者签名：避 导师签名：朗望签谳 年弓 月2 日 绪论 1 绪论 1 1 光纤传感技术的特点及发展状况 传感技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、 声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术和密集型前沿 技术。现阶段，从宇宙探索、海洋开发，到国防建设、工农业生产；从环境保护、灾情预 报，到包括生命科学在内的每一项现代科学研究；从生产过程的检测与控制，到人民群众 的日常生活等等，几乎都离不开传感器和传感技术。事实证明，传感器和传感技术已经渗 入了新技术革命的所有领域，涉及了国民经济的每个部门，进入了大众生活的各个方面。 光纤传感器技术是2 0 世纪7 0 年代末发展起来的一门崭新的传感器技术，是随着光导 纤维实用化和光通信技术的发展而形成的。1 9 7 0 年，美国康宁公司研制成功世界上第一 根实用化的传输损耗为2 0 d b k m 的石英光纤。在随后短短的十几年里，以光纤作为传输 介质的光纤通讯，就从实验室研制阶段，迅猛地发展成为通讯领域的一大产业。在光纤通 讯系统中，光纤易受到诸如温度，压力等环境因素的影响，从而导致光强，相位，频率等 光波参量发生变化，这对通信应用是有害的，而它却构成了一种全新的直接交换信息的基 础，从而演绎出了光纤传感器这门新技术。 由于光纤传感器与传统的电传感器在传输介质，传输信号，敏感材料调制参量方面存 在显著的不同，所以光纤传感器具有一些常规传感器不可比拟的优点，它一出现就赢得许 多学者的青睐，目前光纤传感器己在很多领域得到广泛的应用，尤其是可为许多传统电传 感器难以涉足的极端恶劣场合提供多种参量的新颖而可靠的检测手段。根据光纤在整个传 感器中所扮演的角色可以将光纤传感器分为功能型和非功能型两大类。在非功能型光纤传 感器中，光纤只起传光的作用，传感头为其它敏感元件；在功能型光纤传感器中，光纤既 传光，也传感，具有“传”、“感合一的特点。 一般的光纤传感系统由光源、信号传输线( 光缆) 、传感器件、光电转换及信号处理 四部分组成，如图1 - 1 所示。光波作为载波经入射光纤传输到传感头，光波的某些特征参 量在传感头内被外界物理参量所调制，含有被调制信息的光波经出射光纤传输到光电转换 部分，经解调后就能得到被测物理量的大小和状态。现在光纤传感器的种类繁多，光信号 中能被调制的参数也相当多，包括光的强度、相位、多普勒频移、偏振态、波长等。由于 光波的频率很高( 1 0 1 2 一- - 1 0 1 4 h z ) ，且是一种二维信号载体，所以它能传感和传输的信息量 极大。 图1 - 1 光纤传感系统 f i g 1 - 1o p t i c a lf i b e rs e n s i n gs y s t e m 与普通机械、电子类传感器相比，光纤传感器具有以下优点1 2 1 ： 西安理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 抗电磁干扰。一般电磁辐射的频率比光波低许多，所以在光纤中传输的光信号不受 电磁干扰的影响。 ( 2 ) 电绝缘性能好，安全可靠。光纤本身是由电介质构成的，而且无需电源驱动，因此 适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。 ( 3 ) 耐腐蚀，化学性能稳定。由于制作光纤的材料石英具有极高的化学稳定性，因 此光纤传感器适宜于在较恶劣的环境中使用。 ( 4 ) 体积小、重量轻，几何形状可塑。 ( 5 ) 传输损耗小，可实现远距离遥控监测。 ( 6 ) 传输容量大，可实现多点分布式测量。 ( 7 ) 测量范围广，可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、电压、液位、 液体浓度、成分等。 正是由于光纤传感器有许多独特优势，可以解决许多传统传感器无法解决的问题，故 自从它问世以来，就被广泛应用于医疗、交通、电力、机械、石油化工、民用建筑以及航 空航天等各个领域。随着信息高速公路热潮的到来，光纤传感技术将与光纤通信技术一起 走进干家万户，深入到民用和军事的各个方面。 当今世界上光纤传感器研究的两大热点一个是用于生物、化学、医疗及环保等领域的 光纤传感器的研究，典型的光纤传感器为光纤倏逝场传感器，主要用于环境污染监测及液 体浓度、成分、比例、p h 值、血氧饱和度、药物浓度等参数的检测；另一热点是用于智 能结构和材料的光纤传感器的研究，主要用于结构内部应变、压力、温度、载荷疲劳、结 构损伤等参数的监测，这方面的代表就是光纤光栅传感器。 1 2 光纤光栅传感技术的特点及发展趋势 新一代光纤技术光纤光栅将可能在光纤技术以及众多相关领域中引起一场新的 技术革命。1 9 7 8 年加拿大的奥它瓦通信中心的k e nh i l l 及其他科研人员首次发现掺锗石 英光纤紫外光敏特性光诱导产生b r a g g 光栅效应。十余年后，在1 9 8 9 年g e r ym e l t z 又发展了紫外光侧面写入光敏光栅技术。近年来，对光纤光栅紫外光照射生长动力学、光 学特性和成栅技术的研究都取得了重大进展。随着光纤光栅技术的不断成熟和商用化，专 家们预言，从光纤通信、光纤传感到光计算机和光信息处理的整个光纤领域将发生一次革 命性飞跃。光纤光栅的出现将改变人们在光纤技术应用中的传统设计思想，可以说光纤光 栅技术是继掺饵光纤放大器技术之后光纤技术发展的又一个新的里程碑。光纤光栅技术使 得全光纤器件的研制和集成成为可能，从而为人们梦寐以求进入全光信息时代带来了无限 生机和希望。 光纤光栅的反射或透射峰的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率有关，而外 界温度或应变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率，从而引起光纤光栅 的反射或透射峰波长的变化，这就是光纤光栅传感器的基本工作原理。因此，温度和应变 是光纤光栅能够直接传感测量的两个最基本的物理量，它们构成了其它各种物理量传感的 2 绪论 基础，其它各种物理量的传感都是以光纤光栅的应变温度传感为基础间接衍生出来的。 与传统的强度调制型或相位调制型光纤传感器相比，波长调制型的光纤光栅传感器具 有许多独特的优点d 4 1 ： ( 1 ) 抗干扰能力强。这一方面是因为普通传输光纤不会影响光波的频率特性( 忽略光纤 的非线性效应) ；另一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干扰， 例如，光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏、耦合损耗等都不可能影响传感信 号的波长特性，因而基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。 ( 2 ) 光纤光栅传感器是自参考的，可以绝对测量( 在对光纤光栅进行定标后) ，不必如基 于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参考。 ( 3 ) 传感探头结构简单、尺寸小( 其外径和光纤本身等同) ，适合各种场合，尤其是智能 材料和结构。便于埋入复合材料构件及大型建筑物内部，对结构的完整性、安全性、载荷 疲劳、损伤程度等状态进行连续实时监测。 ( 4 ) 便于构成各种形式的光纤传感网络，尤其是采用波分复用技术构成分布式光纤光栅 传感器阵列，进行大面积的多点测量。 ( 5 ) 测量结果具有良好的重复性。 ( 6 ) 光栅的写入工艺已较成熟，便于形成规模生产( 商品化) 。 由于光纤光栅具有许多独特的优点，因而受到各国专家广泛的注意并参与研究。现在， 无论在光栅的制造、性能研究以及推广应用等方面均已获得长足进步。光栅的制造技术已 成熟到可批量生产，有商品出售，使用寿命预计在l o 年以上；光纤光栅在光纤通信、光 纤传感等领域的应用研究也成果不断。可以预计光纤光栅将是光纤技术中一个十分重要的 光纤器件。 光纤光栅传感器的应用前景是十分广阔的，早在1 9 8 8 年，就成功的在航空、航天领 域中用于有效的无损检测技术，同时，光纤光栅传感器也可应用于化学、工业、电力、水 电、船舶、煤矿等领域。最近，应用的焦点集中到了民用工程领域，目的在于开发可在混 凝土组件和结构中，例如建筑物，桥梁、水坝、容器、高速公路、机场跑道等，测定其结 构的完整性和内部应变状态的可能技术，从而建立灵巧结构。 如果光纤光栅传感器及其辅助设备的成本能降到电传感器的水平，则新的应用领域将 不断出现。尽管传感元件很贵，光纤光栅传感器的复用能力将减小每个测量点的成本，事 实上，随着制作技术的发展和应用领域的不断扩大，其成本正逐步下降。 在电力工业和电力应用中，光纤光栅传感器是最合适的。因为光纤传感器是一种抗电 磁干扰的介质，它们能够在电传感器无法使用的场合，如变压器、发电机、马达等设备中 发挥作用。也可作为测量供电线弯曲及电线塔、电极负载等的传感网。 在其它领域，光纤光栅传感器还可在气体管道、自来水管道及化学工业中发挥重要作 用。 1 3 光纤光栅传感解调及复用技术的发展状况 3 西安理工大学硕士学位论文 前面已经提到过，与一般的光纤传感器相比，以光纤光栅作为敏感元件的传感器的独 特优势在于它是波长编码的传感器。光纤光栅传感器的探测量是光纤光栅的反射波长的移 动量。光纤光栅传感技术中，信号检测过程是一个解调过程，它与传感过程正好相反，光 信号检测技术是研究从被调制的光信号中还原出原解调信号的解调技术，还原得到的信号 将比例于被测信号。与光源的强度及其波动无关，与光的偏振态无关，所以它抗干扰性很 强。而且可以很方便地用波分复用技术、时分复用技术和空间复用技术构成光纤光栅传感 网络，实现多点传感。光纤光栅传感器可以广泛应用于应力、温度、压力、超声波、加速 度、强磁场和力的测量。当被测量( 如应力等) 变化时，光纤光栅的反射波长将会移动， 而且反射波长的移动量与被测量的变化量成线性关系。研究光纤光栅传感器的关键问题就 是要研究如何高精度地测量光纤光栅的反射波长的移动量的问题。 所以，用光纤光栅构成的传感系统中应有精密的波长或波长变化检测装置。如何对光 纤光栅的波长编码信号进行解调，是实现光纤光栅传感实用化的关键，对中心波长移位的 检测精度直接限制了整个系统的检测精度。对光纤光栅传感器的波长移位最直接的检测方 法就是用光谱仪( 或单色仪) 检测输出光的厶。这种方法的优点是结构简单，适宜于实 验室使用。缺点是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。虽然高分辨率的光纤光谱分析仪可以满足要求，但这类光谱仪的价格昂贵，体积庞大， 由此构成的系统缺乏必要的紧凑性和牢固度，在一个面向实际应用的传感器系统中采用这 类光谱仪检测光纤光栅的波长移位是极不现实的，更重要的是它不能直接输出对应于波长 变化的电信号，这对于测量结果的记录、存储和显示以及提供给控制回路必要的电信号已 达到工业生产过程自动控制的目的都是极为不利的。 近年来国外的许多研究工作都集中到这一方面，竞相开发结构简单而且实用的高分辨 率光纤光栅传感器信号解调系统，并取得了令人注目的进展。迄今为止，人们己提出了一 些解调方案，例如非平衡马赫曾德尔干涉仪检测、可调光纤法布里珀罗滤波检测、 匹配光纤布拉格光栅可调滤波检测等。在第四章中我们将会对各种光纤光栅传感器的信号 解调技术进行较为详细的介绍和探讨。 光纤光栅传感器具有上述诸多优点，但从单一光纤光栅传感及其解调设备来讲，价格 很高。该类传感器的最大技术经济优势则在于分布式传感，这样不仅可以减少传感器安装 和信号传输线对施工和原结构性能的影响，而且可以增加传感点的密度，并且与同样传感 数量的常规传感器及测量系统相比整体价格低。实际上，大型和复杂结构的监控经常需要 大量传感器。例如，飞机结构监控需要近5 0 0 0 个传感器才能有足够的覆盖；此外，许多 应用不仅。需要大规模传感阵列，也要求对每个传感器的取样速率很高( 高达l o k i - i z ) 。 因此，大规模、高速率、高灵敏传感网络系统的研究引起了人们的关注“1 。传感网络系统 的主要性能指标主要有三个：一是波长位移或应变、温度分辨率；二是复用传感器数量或 网络规模；三是对系统中每个传感器的取样速率。这三项指标中，波长位移分辨率主要取 决于传感系统所采用的波长探测技术或波长解码系统以及系统的信噪比；取样速率主要取 4 绪论 决于传感网络的规模、网络所采用的拓扑结构和系统所采用的波长探测技术。不同的探测 技术具有不同的波长分辨率和工作速率，可根据实际情况作出选择；网络规模则主要决定 于光源的发射功率、网络的拓扑结构和波长解码系统的接收灵敏度。针对不同的应用场合， 这三项指标虽要求不尽一致，但基于目前f b g 网络的复用能力尚不能满足大型和复杂的 监控目标的规模要求，因此，在经济、实用的前提条件下，f b g 传感网络所能复用的传 感器数量即网络规模，就成了共同追求的目标。 1 4 光纤光栅传感实用化的技术难点 光纤传感技术的实用化有以下技术难点 1 ： ( 1 ) 光纤光栅的封装技术 由于裸光纤光栅直径只有1 2 5 p m ，在恶劣的工程环境中容易损伤，只有对其进行保 护性的封装( 如埋入衬底材料中) ，才能赋予光纤光栅更稳定的性能，延长其寿命，传感 器才能交付使用。同时，通过设计封装的结构，选用不同的封装材料，可以实现温度补偿、 应力和温度的增敏等功能，这类“功能型封装 的研究正逐渐受到重视。 ( 2 ) 光纤光栅传感复用技术 目前，单点和单参数的传感显然已经不能满足人们的要求，大规模、长距离及分布式 的传感技术已成为研究热点。在设计光纤光栅传感系统时，应该尽量做到仅仅通过一两根 光纤就能尽可能多地寻址传感器最有效地利用光能量；减小串扰；保证每个传感器的性能 等。由于光纤光栅可以灵活地串并接，并且能够分别对压力、温度和振动等多种参量实时 感测，因此，可以借鉴光复用技术，将波分复用、时分复用和空分复用技术与先进的信号 处理机制及无线传输技术等技术结合起来，构建多维线阵、面阵、体阵等智能型传感系统， 应用于大型结构的健康监测当中。 ( 3 ) 光纤光栅传感信号解调技术 信号解调系统实质上是基于信息能量转换与传递的检测系统。光纤光栅传感解调系统 可以准确迅速地测量出调制信号的幅值，并能够不失真地再现待测信号即光纤光栅的布喇 格波长的漂移量，它是精密测量得以实现的重要保证。目前，开发出高精度、高分辨率、 高灵敏度和低成本的光纤光栅信号解调系统是光纤传感实用化的关键技术。 1 5 论文的主要内容及结构安排 本文研究了分布式光纤光栅传感网络波长解调技术，设计了基于光纤f p 滤波器的分 布式光纤光栅传感网络解调系统。本文首先概述了光纤光栅传感技术发展的现状和发展的 趋势，深入研究了光纤光栅传感理论、光栅传感解调技术和光栅传感复用解调技术，在此 基础之上设计了一种分布式光纤光栅传感网络波长解调系统。 全文内容共分六章。 第一章：论文的绪论部分，介绍了光纤及光纤光栅传感技术的特点及发展现状，综述 了光纤光栅传感解调及复用技术的发展状况以及光栅传感实用化的技术难点。 5 西安理工大学硕士学位论文 第二章：进行了光纤光栅传感理论研究。完成了光纤光栅的温度传感特性实验。证明 了光纤光栅的b r a g g 波长变化量与温度变化量存在良好的线性关系。 第三章：给出了光纤光栅线型阵列的传感抗串扰条件，并实验证明了本实验系统无串 扰现象。分析了系统最大复用能力。用损耗模拟距离的方法，实验分析了距离对于系统传 感性能的影响。 第四章：深入研究了分布式光纤光栅传感波长解调技术，并在此基础上设计了一种基 于可调谐光纤f p 滤波器的分布式光纤光栅温度传感解调方案。 第五章：详细介绍了解调系统中的光电信号检测电路的设计方法。详细介绍了解调系 统中的信号处理电路的设计方法。 第六章：对所做的工作进了总结和展望。 6 光纤光栅的传感理论与实验 2 光纤光栅的传感理论与实验 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性( 外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射 率的永久性变化) ，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带 的( 透射或反射) 滤波器m 1 3 ，1 4 1 或反射镜1 1 5 1 。利用这一特性可构成许多性能独特的光纤 无源器件n 6 1 8 1 。 2 1 光纤光栅的理论模型 光敏光纤光栅的原理是由于光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导 致一定波长的光波发生相应的模式耦合2 1 9 2 1 1 ，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出 现奇异性，光纤光栅结构如图2 1 所示。这只是一个简化图形，实际上光敏折射率改变的 分布将由照射光的光强分布所决定。 i x 光纤纤芯 z _ 巴 三 二 - - l 、移”9 一。 ”“轳”# 缈铹锈秽琴 4 蟹彬研誓彩驴彬缉矽。髟舻7 ；甥9 黟臻孝”。嬲”学”7 缳 乏 磊。j 。名谚； l ，| ，+ 黝镕，。4 渤 d 一 、 l _ - _ l _ l - _ _ i - i _ _ l 琵一”。 ，o y 移移。”g 穆 锈ii ：4 箍撬# 搋? 冉， t 缓蕊绷蠡磊锄锄貔缀渤象缢纾渤涮臻m 锄z 。巷菇靠施施磁渤酪荔渤锄锄砒彪力疵。，2 缀；筠缓 ，一r 光纤包层 4一 图2 - 1 光纤光栅的结构图 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fo p t i c a lf i b e rb r a g gg r a t i n g 设在均匀纤芯中的折射率为刀，引起折射率非均匀分布后成为n ( x ，y ，z ) ，折射率峰谷 差为a n ( x ，y ) ，非均匀分布区间长，且认为纤芯折射率非均匀分布为正弦分布，则纤芯 折射率可表示为 n ( x ，y ，z ) = 万( x ，) ，) + a n ( x ，j ，) c o s ( 晓)( 2 1 ) 其中口= 2 蒯，口是光栅的空间频率，彳是折射率非均匀分布周期，万( x ，y ) 表示纤芯的有 效折射率。由于纤芯折射率非均匀分布，引起了纤芯中传输的本征模式问发生耦合。在弱 导时，忽略偏振效应，吸收损耗和折射率非均匀分布引起了模式泄漏，则非均匀波导中的 场痧( x ，y ，z ) 满足标量波动方程为 i v 2 。+ k ；n 2 ( x , y , z ) 专l o ( x , y , z ) _ o ( 2 2 ) 其中k o = 2 ，r a ，兄是自由空间的光波长， v 耻吾丝o r + 窑o r + 专尝o r ( 2 3 ) ， z ，2 2 、一一7 由于折射率非均匀分布引起波导中模式耦合只发生在纤芯中，因此非均匀波导中的场 7 西安理工大学硕士学位论文 司以表不为均匀波导束缚模式f 吵( x ，y ) 之和 西( 石，y ，z ) = a l ( z ) 少l ( x ，y ) l = 口i ( z ) e x p ( - i f l z ) + a l ( z ) e x p ( i f l z ) l ( x ，j ，) ( 2 4 ) l 4 ( z ) 表示了与( 石，y ) 相联系的全部随z 变化的关系，口，( 石，y ) 和口一，( x ，y ) 分别是第1 个正向和反向传输模式的振幅。本文讨论中省略了所有对结论无影响的e x p ( i ( o t ) 因子。其 中，( x ，y ) 满足方程 【v ：+ 后；万( x ，y ) 一1 2 杪。( x ，y ) = 0 ( 2 5 ) 将西= a 。y ，代入( 2 2 ) 式，结合( 2 5 ) 式，并按模式耦合理论的一般方法进行处理，化 简时略去高次项，则可以得到一个正向传输模与同一反向传输模间的模式耦合方程 孕：。cq e x p q 2 a f l z )( 2 6 ) d o - ! _ i ：一i c 瞄e x p ( - i 2 a p z ) ( 2 7 ) 吼和t t l 一。分别是1 个模的正向和反向传输幅度，筇= 一，r 1 g ，= k o n 是该模的传输常 数，实际上刀就是该模在纤芯中的有效折射率，l 。仃，c 是耦合系数 c 竽寥z 幽少2 幽= 刁 仁8 ， 这里， r = 陟2 d a 阿2 d a ( 2 9 ) 是芯层中的功率百分比。在阶跃折射率剖面光纤中，基模可以用高斯函数近似代替，代入 ( 2 8 ) 式中， 刁1 一尹1 ( 2 1 0 ) 在光栅入射端，l = 0 处，只有前向传输模，无反射膜，因此有边界条件：( o ) = 1 ， 口一。( l ) = 0 。利用此边界条件可解出方程( 2 6 ) 、( 2 7 ) ， 口t ( z ) = 万面- 面e x p 两( i a f l 丽z ) 坳s i i l l l s ( z 一三) + 谬。c o s hs ( z 一三) 】 ( 2 1 1 ) 口一。(z)=万面c蕊ex再p(-i丽aflz) s i i l l ls ( z 一三) ( 2 12 )1 s i i l l l ( 观) 一塔c o s h ( 乩) 、7、 7 其中s 2 = c 2 一筇2 。由式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 可求出光纤光栅的透射率r 和反射率r 光纤光栅的传感理论与实验 跗_ l 鬻1 2 亿聊 ，_ | 篙1 2 _ 丽器而 亿 当= 0 时，即允= 2 n a ，满足相位匹配条件，式( 2 1 4 ) 式化简为 尺。( 三) = t a n h2 ( c 己)( 2 1 5 ) 反射率是光纤光栅的一个重要参数。( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 式直接描述了反射率r 与光栅长三 的关系。对于折射率峰谷差大的光栅，较短的光栅就可达到高的反射率。折射率峰谷差a n 一定时，光栅到一定长度后反射率可能达1 0 0 。光纤光栅的另一个重要特性是谱线宽度。 取半峰谱线宽度为光栅线宽a 2 。a n 的变化对a 的影响是一线性关系，折射率峰谷差大 会加宽谱线宽度。光栅的谱线宽度旯还与光栅长度有关系。 2 2 光纤光栅的数值模拟及频谱分析 本节通过m a t l a b 对光纤光栅的数值模拟及频谱进行分析。 光纤光栅纤芯折射率的周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生 相应的模式耦合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性，从而在纤芯内形成窄 带的( 透射或反射) 滤波器或反射镜n 。对于光纤b r a g g 光栅，耦合主要发生在b r a g g 波长附近的两个正、反相传输模式之间，则均匀周期的单模b r a g g 光栅的反射率r 可表 示为伽1 r ：七磐丛雩兰竺二 ( 2 1 6 ) 一与丁+ c o s h 2 ( 地) 2 一( 芎+ 三) 2 l z v 、 ，、一7 式中，f + 为自耦合系数，f + ：2 n n a r ( 了1 一与+ 车石i ，石i 是平均折射率的变化， 在此为常数，砧是理想光栅( 即石i o 时) 的中心反射波长，k = k + = 要s 石i 为互耦 合系数，s 表示条纹可见度，在0 5 - 1 之间取值。 利用( 2 1 6 ) 式可得，在完全满足相位匹配的情况下b r a g g 光栅的最大反射率为 尺一= t a n h 2 ( 地) ( 2 1 7 ) 其峰值波长为 k ：( 1 + 竺盟) 厶 ( 2 1 8 ) 定义光纤b r a g g 光栅的反射带宽九为k 。两边的第1 个零反射波长之间的波长带 9 西安理工大学硕士学位论文 宽，则 a 2 0 一= k 。 ( 2 1 9 ) 对于均匀周期光纤b r a g g 光栅，除了位于零失调附近的主反射峰外，其两侧有一系列 次反射峰，称为旁瓣。这些高反射率旁瓣的存在分散了能量，严重地影响光栅的滤波特性， 不利于光纤光栅的应用，特别是不能满足光通信系统中高隔离度的要求，容易引入串扰n 4 1 。 根据( 2 1 6 ) 式，利用m a t l a b 就可以模拟出光纤b r a g g 光栅的反射谱曲线，从而分析 各结构参量对频谱特性的影响。设均匀周期光纤b r a g g 光栅n 。f r = 1 4 6 ，；t o = 1 5 5 0 n m 。 2 2 1 光栅长度对反射谱的影响 图2 - 2 ( a ) 给出了相同折射率调制下不同长度的光栅反射谱，折射率调制均取 a n = 1 1 0 - 4 ，条纹可见度取j = 0 9 ，可以看出峰值反射率与光栅长度三成比例，三越长， 峰值越高，反射带宽厶越窄，而且随着峰值反射率增高，反射带宽厶变窄，旁瓣应也 增强。图2 - 2 ( b ) 给出了光栅长度对应的峰值反射率。三条曲线由上到下分别代表了折射率 调常8 度a n = 2 1 0 4 ，l 1 0 - 4 ，0 5 1 0 - 4 。 图2 - 2 不同长度的光纤光栅反射谱 f i g 2 - 2r e f l e c t i o ns p e c t r ao ff b g sw i t hd i f f e r e n tl e n g t h 2 2 2 折射率调制和长度对光纤光栅带宽的影响 图2 - 3 ( a ) 表示不同折射率调制度对应的带宽，三条曲线由上到下分别代表了光栅长度 l - - 0 5 c m ，l c m ，2 c m ，图2 - 3 ( b ) 表示不同光栅长度对应的带宽，三条曲线由上到下分别代 表了折射率调制度a n = 2 1 0 4 ，1 l o - 4 ，0 5 1 0 - 4 。在图2 - 3 ( a ) 中l = 5 c m 时的曲线，在 a n = 1 2 x 1 0 - 4 左右，曲线变得不光滑，有些跳动。究其原因，是由于这个点对应的反射 光谱已经趋于饱和，旁瓣变得较大，旁瓣的峰值已经达到反射光谱峰值的1 2 。这种情况 下，旁瓣的存在已经影响了3 d b 带宽的确定。所以在锄= 1 2 1 0 - 4 点左右到之后的曲线 有些跳动。 l o 光纤光栅的传感理论与实验 【砂 ( b ) 图2 - 3 不同光栅折射率调制及不同光栅长度分别对应的光栅带宽 f i g 2 - 3b a n d w i d t ho ff b g s w i t hd i f f e r e n tr e f r a c t i v ei n d e xa n dl e n g t h 2 2 3 折射率调制对反射谱的影响 图z - 4 ( a ) 相同长度下不同折射率调制的光栅发射谱，光栅长度为l = 1 0 m m ，条纹可见 度取s = 0 9 。由图2 4 可知峰值反射率和折射率调制血成比例变化，血越大，峰值越高， 厶越高? 图2 - 4 ( b ) 同折射率调制度对应的峰值反射率，三条曲线由上到下分别代表了光 栅长度l = 2 c m ，lc m ，0 5 c m 。 1 。 n 巧。，一 ：一叫 v0、飞a 。心 图2 4 不同折射率调制的光纤光栅反射谱 f i g 2 - 4r e f l e c t i o ns p e c t r ao ff b g sw i t hd i f f e r e n tr e f r a c t i v ei n d e xm o d u l a t i o n 综合2 2 1 、2 2 2 、2 2 3 内容可以得到以下有关f b g 反射特性的结论： ( 1 ) 射谱峰值反射率随光栅长度的增加而增加，在较低折射率调制度时峰值反射率和光 栅长度二者呈平方关系，反射谱峰与折射率调制度有近似正比关系。 ( 2 ) 长度较小的光栅，反射率与折射率调制度的关系呈线性，对较长的光纤光栅，反射 率随折射率调制度的增加很快达到饱和。 ( 3 ) 反射谱带宽随折射率调制度的增加而增加，在力较大的情况下几乎呈线性变化，反 西安理工大学硕士学位论文 射带宽随光栅长度增加而减少，并趋于饱和。 2 3 光纤光栅的类型 光纤光栅按结构的空间周期分布是否均匀可分为周期性光栅和非周期性光栅两类。周 期结构器件制造简单，其特性受到限制；非均匀结构制造困难，其特性容易满足各种要求。 光纤光栅从功能上可分为滤波型和色散补偿型两类，色散补偿型光栅是非周期性光栅，又 称为啁啾光栅。光纤光栅从本质上讲是通过波导与光波的相互作用，将在光纤中传输的特 定频率的光波，从原来前向传输的限制在纤芯中的模式耦合到前向或者后向传输的限定在 包层或纤芯中的模式，从而得到特定的透射或反射光谱特性。 均匀光纤光栅分为光纤布拉格光栅、闪耀光纤布拉格光栅和长周期光栅；非均匀周期 光纤光栅分为啁啾光纤光栅、相移光纤光栅、莫尔光纤光栅、切趾光纤光栅和超结构光纤 光栅。 2 3 1 均匀周期光纤布喇格光栅 目前的光纤光栅制作技术，多数情况下生产的都属于均匀周期正弦型光栅。如最早出 现的全息相干法和有着广泛应用的相位模板复制法，都是在光纤的曝光区利用紫外光形成 的均匀干涉条纹，在光纤纤芯上引起类似条纹结构的折射率变化。折射率分布规律如图 2 5 所示。 其折射率分布为 刀g ) = 刀。+ a n m xc o s f 等z1 ( 2 2 0 ) 均匀光纤光栅可作为激光器外腔反射镜，制作光纤光栅外腔半导体激光器。也可以作 为f p 谐振腔制成性能优良的光纤激光器，主动锁模或可调谐光纤激光器、d w d m 中的 复用解复用器、插分复用器及波长转换器、光栅路由器等；利用光纤光栅的温度、应力 特性还可制成不同的光纤传感器。 2 3 2 线性啁啾光纤光栅 线性啁啾( c h i r p e d ) 光纤是折射率调制幅度不变、周期沿光栅轴向变化的光栅。这 种光栅的折射率分布函数为 刀( z ) = n i + a n c f f ( z ) + 矿 ( 三z + 汐( z ) ) c 2 2 ， 式中a n 。行( z ) 为有效折射率；v 为折射变化的条纹可见度；伊( z ) 描述光栅的啁啾。如 图2 5 所示，这表示的是光谱特性说明c h i r p e d 光栅有较宽的带宽，其反射谱具有波动性。 这