（物理电子学专业论文）基于dsp的光纤光栅解调系统研究.pdf

浙江大学硕上学位论文 摘要 光纤布拉格光栅传感器属于波长调制型光纤传感器，具有不受光源功率波动 和系统损耗等独特的优点，被广泛应用于航天、船舶、电力、石油及医学等众多 领域，是目前光纤传感领域的研究热点之一。在光纤光栅传感系统中，中心波长 位移的精确测量决定传感信号的精度，因此对传感信号的精密解调是光纤光栅 传感器实用化的关键技术之一。研发高灵敏度、稳定性好、性价比高的新型传感 解调系统以取代昂贵的、大体积的光谱分析仪，在工程应用中具有非常重要的意 义。 论文从f a b r y p e r o t 可调谐滤波器波长选择特性出发，设计和研究了基于高 速数字信号处理器( d s p ) 的光纤光栅波长解调系统。系统使用f a b r y p e r o t 可调 谐滤波器获取传感器反射信号的光谱；对光路解调中提取出来的信号进行数字量 化、分析，并通过串行通讯接口( s c i ) 将所得数据传送给上位机，完成各种检 测功能。通过相应的硬件和软件设计，完成数据采集、数据处理等任务，实现快 速高效的系统控制。论文分析了该光纤光栅解调系统的误差来源，并通过加入参 考光栅校准，克服了可调谐滤波器重复性差的弊端，提高了系统的测量精度。 论文从理论和实验两方面分析验证了系统的可行性。与基于光谱分析仪的解 调系统相比，本光纤光栅波长解调系统结构简单，精度较高，可以取代光谱分析 仪执行简单功能。论文最后在对系统深入研究的基础上提出了许多改进该解调系 统精度的方案，为进一步的研究提供了参考。 关键词：光纤光栅传感；波长解调；f a b r y p e r o t 可调谐滤波器；d s p 浙江大学硕士学位论文 a bs t r a c t f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) s e n s o rh a sb e e nw i d e l yu s e di ns p a c ei n d u s t r y ，s h i p i n d u s t r y ，c i v i ls t r u c t u r e s ，e l e c t r i ci n d u s t r y ，o i l ，c h e m i c a li n d u s t r ya n d m e d i c i n ef i e l d s o w i n gt oi t sw a v e l e n g t h e n c o d ec h a r a c t e r i s t i c sw h i c hh e l p st ob ei m m u n ef r o ml i g h t s o u r c ed i s t u r b a n c ea n ds y s t e ml o s s n o wi ti so n eo ft h em o s te x c i t i n gf o c u s e si nt h e f i b e r o p t i cs e n s o r sr e s e a r c hf i e l d t h em a i nb o t t l e n e c kf o rt h ea p p l i c a t i o no ff b g s e n s o ri sh o wt om e a s u r eas m a l ls h i f to fb r a g gw a v e l e n g t ha c c u r a t e l y ，a si ti st h e m a i nf a c t o rf o rt h i sk i n do fs e n s o r s e n s i t i v i t y t h e r e f o r et oe s t a b l i s han o v e l w a v e l e n g t hd e m o d u l a t i n gs y s t e m w i t h h i g hs e n s i t i v i t y ，g o o ds t a b i l i t y a n d c o s t - e f f e c t i v ei so f g r e a ti m p o r t a n c ei np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s i nt h i sp a p e r ，a no p t i c a lf i b e rf a b r y - p e r o ts e n s o ri n t e r r o g a t i o ns y s t e mw i t hh e l p o fd s pi s d e v e l o p e da n dt h o r o u g h l ys t u d i e db a s e do nt h ei n h e r e n tw a v e l e n g t h s e l e c t i o np r o p e r t yo ft h et u n a b l ef a b r y p e r o tf i l t e r t h es p e c t r u mo fr e f l e c t i n gs i g n a l i so b t a i n e du s i n gt h ei n t e r r o g a t i o no ft h ef a b r y - p e r o tc a v i t yl e n g t h d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) ，a st h ec o n t r o lk e m e l ，p e r f o r m sd a t ag a t h e r i n ga n dp r o c e s s i n g ， w h i c hi st h e ns e n tt op cb yas e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ( s c i ) h e n c et h es y s t e m c a nb ec o n t r o l l e dw i t hh i g hs p e e da n de f f i c i e n c y t h ee r r o rs o u r c eo ft h i s d e m o d u l a t i o ns y s t e mi sc a r e f u l l ya n a l y z e da n di t sa c c u r a c yi sg r e a t l yi m p r o v e db y u s i n gar e f e r e n c ef b g t oo v e r c o m ef a b r y - p e r o tf i l t e r sb a dm u l t i p l i c i t y b o t ht h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o n f i r mt h ef e a s i b i l i t yo ft h i s d e m o d u l a t i o ns y s t e mi nt h ea p p l i c a t i o no fs e n s o r s c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a l o p t i c a ls p e c t r u ma n a l y z e r ，o u rs y s t e mh a sc o m p a r a b l em e a s u r i n gs e n s i t i v i t yw h i l e l e s sc o m p l i c a t e da n dc o s te f f e c t i v e s o m ee f f e c t i v es c h e m e st r y i n gt oi m p r o v et h e m e a s u r ea c c u r a c yo ft h i ss y s t e ma r ep r o p o s e d ，w h i c hg i v eu s e f u li n f o r m a t i o nf o r f u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) s e n s o r ；w a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o n ；t u n a b l ef i b e r f a b r y p e r o tf i l t e r ：d s p 浙江大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 光纤光栅传感器的研究和应用现状 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，如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，从而改变和控制光在 其中的传播行为，实质上它的作用是在纤芯形成一个窄带的滤波器，如同传统的 光学系统中的镜子。光纤光栅是一种无源滤波器件，由于光纤光栅具有体积小、 熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，成为光纤通信、光信息处 理中不可缺少的组成部分，比如波分复用器、光纤激光器、光放大器中的泵浦反 射镜、增益均衡器和色散补偿器件等。自从1 9 7 8 年k 0 h i l l 等人数次报道了用 氩离子激光器在锗硅光纤上用驻波持续曝光制作成第一个光纤布拉格光栅以来 【l 2 j ，无论是光纤光栅的写入方法、理论研究还是应用都引起了各国学者的广泛 关注，光纤光栅成为目前最有发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一。 温度、应变、压力等外界环境的变化将引起光纤有效折射率或光栅周期等参 数的变化，从而导致其谐振波长的变化，因此光纤布拉格光栅是性能优良的敏感 元件，测量光栅中心波长的变化就可以获得周围环境参量的变化，这是一种波长 调制型传感器。作为传感单元，光纤光栅相比于以往的各种光纤传感器，主要优 势是检测信息为波长编码，波长编码是一种绝对测量方式，带来的最大好处是抗 干扰能力强，不受光源强弱、光纤微弯效应引起的随机起伏和耦合损耗等的影响， 因此，光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。另外，光纤光栅制作方 便，只用对纤芯的折射率分布做些改变；传感探头结构简单，非常适合用于一些 要求尺寸小的场合；光纤光栅采用在光纤通信中广泛应用的复用技术，比如波分 复用技术、空分复用技术、时分复用技术等，更方便地应用于准分布式传感系统 中。基于以上诸多优势，光纤光栅被认为是具有推动光纤传感器进入前沿发展的 潜力。 目前，己报道的光纤光栅传感器可以检测的物理量有：温度、应变、压力、 位移、压强、扭角、扭矩( 扭应力) 、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、 热膨胀系数、振动等，可以分为单参数传感和多参数传感两种。 在单参数传感主要是指用光纤布拉格光栅传感器实现对单一物理量的测量。 浙江大学颁，l 学位论文 j m o r a 等人利用光纤布拉格光栅制成了电流传感器 3 ，其灵敏度可以达到 2 3 1 0 一o r m a 2 m _ 2 。2 0 0 0 年，m j g a n d e r 等人用在多芯光纤中写入的光纤布拉 格光栅实现了弯曲量的测量 4 】。同年，s e u n g w o o 等人提出了一种新颖的利用高双 折射光纤进行波长解调测量应变的方法【5 】，能检测的最大应变量3 5 0 0 1 0 - 6 。 2 0 0 3 年，e u d d 等人报道了利用多模光纤光栅压力传感器来探测复合材料的裂缝 位置【6 】。2 0 0 4 年，j o oh i nc h o n g 等人报道了利用二氧化碳激光器写入的长周期光 纤光栅作为折射计来测量外界环境的折射率【7 】，试验表明有较高的折射率灵敏 度。同年，a i a d i c i c c o 等人将光纤光栅放进氢氟酸溶液中进行处理，最后得到了 较薄的光纤光栅折射率传感器【8 】。 多参数传感就是包括两个或两个以上物理量的传感，在工程结构中由于各种 因素的相互作用、交叉敏感，因此多参数测量技术尤其重要。近年来研究最多的 是使用光纤布拉格光栅作为温度和应力同时测量时的分离技术。在实际温度和应 力传感应用中，由于布拉格光栅传感器存在着温度和应力的交叉敏感问题，即待 测对象温度和应力的变化均能引起布拉格光栅反射波长的位移，在检测端却无法 对这两种原因引起的反射波长的位移进行分辨，大大限制了布拉格光栅传感器的 应用。为此，人们提出了许多设计方案，双波长叠加光栅澍9 l 、混合光纤光栅 长周期光栅1 0 1 、双直径光栅1 1 】、光栅叠加偏振摇摆滤波器法 12 1 、布拉格光栅与 e d f a 组合法 13 1 、超结构光栅澍1 4 1 、聚合物封装 1 5 1 及光纤拉曼激光器结合侵蚀 光栅【m 等等。 2 0 0 3 年g u a n g h u ic h e n 等人报道用相位掩模板技术可以在一种新颖的高双折 射光纤上写布拉格光栅 1 7 ，对应快轴和慢轴模式的两个布拉格波长分别对应温 度和压力的变化呈线性变化的关系，可以用此种光栅来同时测量温度和压力的变 化，实验结果得到了1 的温度和o 5 m p a 的压力灵敏度。 本实验室也提出了一个基于单个布拉格光栅，可以实现对温度和压力同时测 量的新颖光纤布拉格传感器【l8 1 。把光栅的一部分封装在聚合物里，通过设计封 装结构把施加在聚合物上的横向应力巧妙地转化为施加在光栅上的轴向应变。实 验结果表明，传感器的压力灵敏度得到大大提高。 利用光纤光栅可以组成阵列传感器，实现分布式传感测量，主要技术有波分 复用、时分复用以及混合复用，由于光纤光栅传感直接测量的是反射波长( 或透 浙江大学硕：f ：学位论文 射波长) 的移位，因此其传感网路的主要结构是波分复用，其次是时分复用和空 分复用。由于速率、串话、信噪比和波长带宽等因素的影响，以上每种技术复用 的传感器一般不超过l o 只，所以发展出了多种复用技术相结合而构成的复杂传感 网络。 目前光纤布拉格光栅的分布式传感主要集中在应变传感，g d u c k 等人于 2 0 0 0 年采用群延迟直接测量技术进行光纤布拉格光栅内应力分布式传感樊1 9 】， 应变精度可以达到2 4 肛，空间分辨率达到1 6 5 m m 。可调滤波器可用于实现紧凑 和实用的多路复用技术，在几十个纳米的检测范围内其典型的分辨率为几个皮 米。另外，可调谐声光滤波器对多个传感光栅进行波长扫描可构成波分复用光纤 传感网，基于a o t f 的检测系统的测量精度和声光器件的温度稳定性密切相关， 其分辨率在6 0 n m 的范围内可达到1 0 - 3 n m 量级，由于声光器件无任何的机械移动 装置，因而稳定性好、响应速度快，适合于传感阵列的高速扫描。 光通信是2 0 世纪在科学技术领域取得的伟大成就之一，它以光子为信息载 体，提供了一种优秀的信息交换与传输手段，光通信的成功也促进了光传感应用 的兴起与发展。 在航空航天方面，早在1 9 7 9 年美国国家宇航局( n s a s ) 创始了一项光纤机 敏结构与蒙皮计划，首次将光纤传感器埋入先进聚合物复合材料蒙皮中，来监控 复合材料的应变和温度。一般飞行器为了检测压力、温度、振动、燃料液位、机 翼和方向舵的位置等，所需要使用的传感器超过1 0 0 个，这就需要传感头的尺寸 和重量都要小，光纤光栅传感器制作在纤芯中，质轻、柔韧、抗电磁干扰等优点， 满足在飞行器中应用的要求。 美国国家航空和宇宙航行局对光纤光栅传感器的应用非常重视，他们在航天 飞机x 3 3 上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感网络用于航天飞机的实时监 测【2 0 1 。他们还研究在常温和低温条件下复合材料高压容器的光纤光栅和干涉传 感器。德国自1 9 9 6 年起，d a i m l e r b e n z 研究中心和d a i m l e 卜b e n z 宇航空中客车以 及宇航研究院共同研究基于光纤光栅的自适应机翼，在结构变化监视中埋入了静 态分布式光纤光栅应变和温度传感器【2 l 】。 现代船用传感器中多达9 0 是压力或温度传感器，光纤光栅传感器能够为现 代船舶的操作提供瞬时的和丰富的传感信息，提供早期的危险报警和损伤评估来 浙江人学硕，j ：学位论文 保证船舶的安全。美国海军实验室对光纤光栅传感技术非常重视，己开发出许多 用于测分布式应力的光纤光栅传感技术。美国海军研究实验室和挪威海军的联合 项卧2 2 】：埋入传感系统的复合材料船体，对排雷船安装1 0 0 个以上的光纤光栅传 感器，利用适当的解调和处理方法对船体进行静态和动态的测量。法国d i r e c t i o n d e sc o n s t r u c t i o nn a v a l e s ( d c n l o r i e n t f r a n c e ) 己在航道中用纤维增强塑料闸门取 代常规的刚闸门【2 3 1 ，其中一个闸门中埋入了五个光纤光栅传感器，测得结果吻 合。1 9 9 6 年报道了一个1 6 通道波分复用的光纤光栅动态应变传感系统【2 4 1 ，该系 统获得了1 0 r e h z 一心的应变精度，带宽提高到了5 k h z ，系统已经成功应用于设 计和制造气垫双体船所用的复合面板的冲击测试。2 0 0 2 年，g e i rs a g v o l d e n 等人 报道了将布拉格光栅传感器用在船体外壳的实时监测 2 5 1 ，用于检测船体外科受 到的力矩和受力情况，随时了解船体外壳的健康状况，实验结果表明，光纤光栅 传感器与传统的电类传感器相比信噪比有了较大的提高，可以提高结构检测数据 的分析精度，已经完成在海上的测试和安装。 应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测，1 9 9 9 年夏，在美国新 墨西哥l a sc r u c e s1 0 号州际高速公路的一座钢结构桥梁上，安装了1 2 0 个光纤光 栅传感器，创造了当时在一座桥梁上使用光纤光栅传感器最多的纪录。光纤光栅 传感器在桥梁上的应用只要是利用加强聚合体光缆的碳光纤来进行分布载重检 测。基于c c d 的分光计加上波长校正探测系统使整个系统精度可达1 胆，另外用 双模光纤和一个光纤光栅组成的传感器系统用于桥梁检测，实验表明可以同时测 量应变和温度 26 | 。我国西部大开发战略的实施，公路交通建设的得到了迅猛的 发展，通过光栅传感网络系统可以对地质条件复杂的桥梁道路实施健康监测。 电力工业中的设备大都处在强电磁场中，需要测量的地方处在高压中，如高 压丌关的在线监测，高压变压器绕组、发电机定子等地方的温度和位移等参数的 实时测量，需要高可靠的实时监测设备，要求传感器体积小、无源器件、高绝缘 性、抗电磁干扰能力，因此光纤光栅传感器在电力工业中的应用前景很好。如为 克服利用法拉第效应的光纤传感器存在的线性双折射、温度和振动的问题。一种 替代的方法是用常规电流转换器、压电元件和光纤光栅组成的综合系统对大电流 进行间接测量【27 1 ，电流转换器将电流转变成电压，电压变化使压电元件形变，形变 大小由光纤光栅传感器测量，进一步的研究表明，用基于光纤光栅的法布里帕 4 浙江大学硕十学位论文 罗腔代替可以进一步改善分辨率。又如电力传输线上的机械负载太大，比如大雪 原因引起的负载过重，会导致严重的事故，o g a w a - 等a t 2 8 在三十公里长的传输线 上布置了十个光纤光栅的复用系统，光纤光栅贴在金属板上，金属板固定在电缆 上，负载变化引起的电缆应变经金属板传入光纤光栅，用波分复用技术对光栅反 射信号进行解调，很明显这种应用需要大量的传感器，而光源带宽一般很有限， 所以波分复用时就不能复用太多的传感器，进一步的研究表明，可以用时分复用 来提高复用能力。 在医学方面，光纤光栅可对超声波、温度、和压力场进行实时监测，并能局 部检查病变组织的声学和热属性，另外光纤光栅传感器对人体组织的损害非常之 小，足以避免对正常医疗过程的干扰。一种光纤光栅阵列温度传感器【2 9 1 被设计 用来测量超声波、温度和压力场，内部实地地研究病变组织的超声和热性质，传 感器的分辨率为0 1 ，精度为士o 2 + c ，测量范围为3 0 6 0 ，这种系统可以满足 甚至超过医学应用中的要求。 除以上例子外，光纤光栅还有许多应用，如测量振动的加速器、测量水下声 场的水声器和入侵检测等等。 光纤光栅传感技术经过十多年的研究和开发，已得到快速的发展，但工程化 和产业化才刚刚开始。从总体上看，目前国内的研究主要是实验室理论研究，应 用系统极少，如清华大学、重庆大学开展了光纤光栅智能材料与结构的研究，但 未见工程应用报道，目前的光纤传感器的产业化和大规模推广应用方面远远不能 满足国民经济发展的要求。国家2 0 1 0 年远景规划和失误计划已经将传感器列为重 点发展产业，市场需求和发展空间的潜力极大，其中光纤光栅传感器将占很大的 比例，我国在光纤光栅传感器领域将出现一场激烈竞争和挑战。 1 2 光纤光栅在传感应用中要考虑的问题 光纤布拉格光栅在1 0 多年前被证明可以用于应变和温度的测量以来，因其成 本低和复用能力强等特点，一直发展迅速【3 0 1 ，虽然光纤光栅传感器在性能和功能 上还可以进一步改进，但光栅传感器技术经过1o 年的研发整体上现己接近成熟， 人们正在致力于光纤光栅传感领域更多潜在应用的研发。在现有技术条件下，光 纤光栅传感的研究一般需要考虑以下几个主要问题。 浙江大学顾十学位论义 ( 1 ) 光纤光栅的制作技术。光纤光栅的机械可靠性和光学可靠性在实际应用 中需要考虑的，目前，作为商品出售的光纤光栅均应通过环境试验，其光学性能 应无明显变化。另外在写入光栅时，一般要去除包层，因此其机械强度大大降低， 工业施工现场环境比较恶劣，光纤纤细易断，采用先进的封装工艺使得光纤光栅 传感器在恶劣的环境中正常工作尤为重要。一般考虑用衬底材料( 聚合物、金属 等) 和粘贴材料( 环氧胶等) ，否则会影响其使用寿命。 ( 2 ) 微小波长偏移量检测。如何提高物理量变化引起的光栅波长漂移量的测 量精度是设计性能优良的传感系统中的关键技术之一，光纤光栅传感信号的解调 方式为波长解调，为达到1 和1 0 鹏的测量精度，中心波长的漂移量的测量精度 应高于0 0 1 n m ，因此波长漂移的检测精度直接的决定了整个系统的检测精度。实 验室中，光谱仪的波长分辨率可以满足，但实际应用中，需要高分辨率、稳定性、 性价比高的解调系统，以用于工程结构中的检测与监控，于是对光纤光栅传感信 号解调技术的深入研究基础上，出现了许多的解调方案，如边缘滤波器法、可调 谐滤波器法( 包括可调谐波长的光纤f a b r y - p e r o t 滤波器、可调谐光纤布拉格光栅 滤波器、声光可调谐滤波器、可调谐等) 、波长可调谐光源、c c d 分光仪法、干 涉仪法、光纤f o u r i e r 变换光谱法等，论文第二章将给予详细介绍。 ( 3 ) 宽光谱、高功率光源。使用宽光谱光源可以扩大传感检测范围，谱宽的 选择影响光纤光栅传感系统的量程；基于反射式的传感系统比较容易实现，而作 为传感单元的布拉格光栅的光谱宽度一般为零点几个纳米，反射回来的光信号能 量极低，则系统需要输出功率高的光源并且整个系统要有高的信噪比能力。所以， 光源的选择应给予足够重视。 ( 4 ) 交叉敏感问题。光纤光栅传感器的通用性使得只用一套测量设备就可以 检测出多种测量参量，但在实际应用中检测对象的状念与周围环境参数转换到光 纤光栅传感器中的信号相互耦合，所谓交叉敏感即光纤光栅对于应力、应变、温 度等多种参量都有不同程度的敏感性，这种情况就成为制约光纤布拉格光栅传感 器应用的主要因素。比如在测量应变时，采用加入参考光栅法、双波长重叠光栅 法、复合光栅和长周期光栅法等来去除温度波动的影响。 6 浙江人学硕，i ：学位论义 1 4 本课题研究目的和内容 传感信号的解调是光纤光栅传感系统实用化所面临的最大难题，而精确检测 光纤光栅的波长位移是整个光纤光栅解调系统的关键，传感过程中光纤光栅的传 感信息以波长编码的形式被解调制系统接收，通过波长解调制得到传感信号的变 化情况。因而传感光栅中心反射波长的跟踪分析又是解调系统的核心部分，很大 程度上决定了解调系统的分辨率、可靠性和成本。在实验室罩，光谱仪可满足对 上述的波长分辨率要求；但实际应用中，还必须利用光纤光栅的优良特性，开发 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和监控。为此，人们对光纤光栅传 感信号的解调技术进行了深入的研究，提出了许多解调方法，论文第二章将给予 详细介绍。 在己报道的实用化光纤光栅传感系统中，采用可调谐光滤波法和可调谐激光 器扫描法的解调系统己经商品化，但是由于精度不高、速度太慢、有限的寻址范 围等严重影响了它的实际应用。一些光纤光栅传感解调产品做得比较好的公司， 如美国的m i c r o no p t i c s 公司s i 9 2 0 是一款高灵敏度、高速度的光学传感器振动模 式分析仪，能够以1 0 0 k h z 的速率同时进行4 个通道或以5 0 0 k h z 的速率单通道采 集数据，来监沏, u f b g 传感器上的振动模式，该仪器构造独特，使用了4 个并行的 高性能光纤f a b r y p e r o t 可调谐滤波器，分别对应一个通道，但售价几万美元。b l u e r o a dr e s e a r c h 公司推出一种基于啁啾光栅的解调制系统，取样率可达7 k h z ，并声 称最高可达3 m h z ，价格约5 0 0 0 美元，但这种解调制系统只能解调制一个光纤光 栅，而且分辨率和精度都不高。所以，寻求一种能同时满足高分辨率、调谐范围 宽、集成化、价格较低、具有显示实时变化信号的友好界面的实用解调方案，是 我们的最终目标。本文针对光纤光栅传感系统实用化所面临的最大难题精确 检测光纤布拉格光栅的波长漂移，设计了基于d s p 的光纤光栅传感器精密解调方 案，并进行了相应实验系统的设计与开发。 本文的主要研究内容如下： 第一章绪论主要从光纤布拉格光栅的特点及传感技术研究背景出发，介绍了 光纤光栅传感技术研究及应用现状等，在对现有技术研究基础上，总结了光纤光 栅在传感应用中要考虑的几个重要问题。 7 浙江大学顾十学位论文 第二章理论分析了光纤布拉格光栅的传感原理及特性，对如何实现传感信号 的解调，提供了几种目前比较成熟的解调技术，从理论上探讨这些解调原理，并 对其优缺点做了简要的评述。着重介绍t f a b r y p e r o t 可调谐滤波器解调法并说明 了其具有广泛的应用前景。 第三章给出了采f a b r y p e r o t 可调谐滤波器，并基于d s p 系统对光纤光栅波长 解调的方法，详细介绍了系统原理，可以实现高速的信号解调以及高精度的波长 解调，由可调谐高功率激光器输出不同波长光信号，来确定波长漂移与采样点的 关系线，由参考光栅实现定位和校准，从而解调出不同温度下光栅的中心波长， 同时实现了p c 与d s p 异步串行通信功能，在p c 机上可以很方便地对数据进行一 些d s p 上难以实现的处理。最后介绍了解调系统几个主要部分器件选取和性能并 说明了电信号的采集和处理方案。 第四章详细分析采用先进的高速数字信号处理( d s p ) 电子技术开发的解调系 统的硬件和软件部分设计。 第五章主要介绍了在现有的实验条件下采用该解调系统进行的一系列实验， 并对实验结果进行分析，表明了该解调系统设计方案的可行性和合理性。 第六章对全文进行总结和展望。 浙江人学硕士学位论文 第二章光纤布拉格光栅传感原理 2 1 光纤光栅传感原理 光纤光栅可以广泛应用于应变、温度、压力及动态电磁场等的测量。测量的 基本原理是光纤光栅的中心波长总是随着环境参数的变化而变化。 光纤光栅是一种光纤器件，它是利用光纤的紫外光敏性，用紫外光照射，使 得在光纤纤芯折射率沿轴向呈周期性变化，在满足布拉格光栅条件的波长上全反 射，而其余波长通过的一种全光纤陷波滤波器，如图2 1 所示。 入射 图2 1 光纤光栅结构图 如图所示，当宽带光波在光栅中传输时，入射光波将在相应的波长上被反射 回来，起到了光波选择反射镜的作用，其余的透射光波则几乎不受影响。光纤光 栅的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期a 和反向耦合模的有效折射率 n 彬，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起反射或透射波长的漂移， 即有： 以= 2 n 钟a( 2 1 ) 其中，以为光栅的中心反射波长，a 为光栅的周期，刀。f r 是光纤的有效折射 率。可见，光纤光栅的反射波长与光纤光栅的调制周期a 以及纤芯的折射率，2 。仟 有关，只有满足布拉格条件的光波才能被光纤光栅反射。 9 浙江人学硕上学位论文 当光纤光栅受到轴向应力作用或温度的变化影响时，其n 。衍口人都会发生变 化，导致符合布拉格条件的反射波长发生移位以。通过检测光纤光栅中心反射 波长的变化以，可以获知外界应力和温度的变化。温度和应变是光纤光栅能够 直接测量的两个基本的物理量，它们构成了其他各种物理量传感测量的基础，其 他各种物理量的传感测量都是以光纤光栅应变、温度传感为基础间接衍生出来 的。 2 1 1 光纤光栅应变传感原理 当光纤光栅受应力作用产生纵向应变时，将导致光纤周期或纤芯折射率发生 变化，从而使光栅波k a 2 , 占发生漂移，由下式给出 华：( 1 一) ( 2 2 ) 式中，是光纤的弹光系数，一般由下述表达式确定，即 只= 昙，z 2 e ：一v ( 墨，一只：) ( 2 3 ) 式中，鼻。和置：是光纤的光学应力张量分量；v 是泊松系数。( 2 2 ) 式和( 2 3 ) 式可以用来测量光纤光栅的灵敏度，1 9 9 5 年r a o 3 1 】等人实验测得波长1 5 5 0 n m 的布 拉格光栅的波长灵敏度约为1 1 5 p m l t e ，由于加速度、力等物理量都可以转化 为应变来测量，所以上述两个式子在测量这些参数时仍然有用。 2 1 2 光纤光栅温度传感原理 当光纤光栅所处的环境温度发生变化时，与之相应的光栅中心波长以发生 漂移。这是由于光纤材料的热光效应使光纤折射率胛发生变化，热膨胀冷缩效 应致使栅距人发生变化，从而引起b r a g g 光栅中心反射波长发生变化 孥：( 1 + 4 ) a t ( 2 4 ) 以 l o 浙江大学硕l 二学位论文 式中，孝就是光纤的热光系数。1 9 9 5 年，对波长是1 5 5 0 n m 的光纤光栅，r a o 3 1 】 等人测得的波长灵敏度约为1 3 p r n 。c 。 当温度和应变有变化时，光纤光栅的中心波长会变化，其所反射的光的波长 也就会发生变化。因此可以在光纤光栅丌发的基础上，制作光纤光栅传感器去测 量外界的温度和应变的变化，从这些变化中计算出温度或者应变的大小，光纤光 栅传感器结构如图2 2 所示。 厂 被测物 o 臣垂因 专警事审 隔网 【一 圆一压蛰| i 解调信号输出 解调器l 【一l 。一j 图2 2 光纤光栅传感器系统原理框图 ( a ) 反射式( b ) 透射式 在传感过程中，光源发出的光波由连接器直接进入传感头( 传感光栅) ，传 感光栅在外场的作用下，对光波调制，接着带有外场信息的调制光波被传感光栅 反射( 或透射) ，进入调制器并输出。由于输出的信号包含了外场作用的信息， 因而就可以获得外场的变化情况。相比较而言，反射式的传感解调系统比较容易 实现。 2 2 光纤光栅传感器波长解调技术 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调制信号的解调技术， 还原得到的信号将比例于被测信号。光纤布拉格光栅传感系统的优点在于其传感 信号是波长变化，对波长移动的监测即可知道相应参数变化的情况。当光通过光 浙江人学硕士学位论文 栅传感器时，满足布拉格条件的入射光波长( 即中心波长) 被光纤光栅反射，这 样反射光就会被反射给解调器。 为了达到1 和1 0 r e 的测量精度，对于中心波长位移以的测量精度应优于 0 0 1 n m 的量级，所以精密测量波长变化的检测装置尤为重要。最简单的测量光纤 布拉格光栅的方法是采用光谱仪，但是传统光谱分析仪的分辨率一般较低，因此 它们一般在光栅的制作过程中用于测量光栅的光学特性，而不是用于实际探测系 统中光栅波长漂移量的测量，另外光谱仪一般比较体积比较大，比较昂贵，所以 实际应用中采用光谱仪是不现实的。关于光纤光栅波长漂移量的解调方法已有很 多报道，但只有一部分解调方法具有实用性，根据波长漂移量解调器件的工作原 理，这些典型的解调方法大致有以下几类：边缘滤波器法、可调谐滤波器法、干 涉仪扫描法等，重点讲述可调谐滤波器法。 2 2 1 边缘滤波器法 在( 1 5 2 0 n m - - - 1 5 6 0 n m ) 的波长变化范围内，边缘滤波器法中输入波长漂移 量和输出光强度变化量呈线性关系，该滤波函数可以表示为 f ( 2 ) = a ( 2 - 1 t o ) ( 2 5 ) 这种方法是通过探测滤波器的输出光强度来计算输入波长漂移量的变化，因 而可利用该特性来测量波长的变化，从传感光栅返回的、包含波长移位调制的光 信号分为两束，这两束光功率与入射光功率的关系在同一坐标系下形成两束出 射光经过光电探测器变成电信号后经过处理消除光功率变化的影响，最后得到 波长的变化量。 原理如图2 3 所示，这是m e l l e 等人提出的 3 2 】，该系统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 3 3 1 。 1 2 浙江人学硕1 ：学位论文 l 宽带光源卜k 二) t 一一i i 、 传感光栅 父 光电探测器 线性边缘滤波器 ，夕、边缘滤波器 、一l 粤 譬 ，尊辈l 一 l 探测电路i 上图中，从光纤布拉格光栅返回的光均匀分成两束，一束直接送入探测器作 为参考信号i r ；另一束则通过滤波幽数为式( 2 5 ) 的线性滤波器，冉送入探测 器，反射光是谱宽为a 2 的高斯分布，则接受到的光强分别是 3 3 , 3 4 驴西1 厶删( 九一矗+ 等) ( 2 6 ) 驴击 ( 2 7 ) 每制以却 ( 2 8 ) 其中，5 为信号光强，r 为参考光强，r 为光纤的反射率，a 为线性滤波器 的比例系数。由式( 2 8 ) 可见，以和直接测量值乡乏呈线性关系，由此可以求 出动态的九值。 该种解调方法基于光强检测，适用于动态、静态测量，有较好的线性输出， 测量范围与探测器的分辨率成正比。该系统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、连接干扰和微弯等不利因素，且系统成本较 低，在几个聊的测量范围内，该系统具有几十个肛的分辨率。不足之处是系统 使用体积光学滤波元件，测量精度受到滤波器准直和稳定性的严重影响，故削弱 浙江大学硕，卜学位论文 了其便携性。另外。系统无法消除因耦合器的分光比的起伏变化、光纤中的双折 射等因素对测量结果的影响。随后出现的全光纤技术可以克服上述缺点【3 5 , 3 6 ，适 用于动静态测量，系统的应变与温度的分辨率分别为5 f i e 和5 0 c ，在相对较 高的精度测量中，这是一个较为理想的解调方案。 2 0 0 5 年，胡勇勤【37 】等人描述了基于边缘滤波器、自参考、可带中心波长自 动跟踪的光纤光栅波长解调器。主要应用于水声信号的检测，中心波长自动跟踪 范围为1 6 6 n m ，解调器的静态测量的相关系数为0 9 9 4 8 ，最小分辨率为1 3 p m ，动态 范围为4 9 0 p m ，动态测量的带宽为1 0 h z 5 k h z 。 2 2 2 干涉仪扫描法 干涉仪的解调原理是当传感光栅受到外场的作用时，导致干涉仪中的光程被 调制，其中，干涉仪的作用相当于一个波长扫描器，将波长移位从光栅转换为干 涉仪输出端的相位变化，通过对其输出的相位信号检测即可得到传感光栅的中心 波长变化，从而对传感光栅进行频谱选择。该方案可给出高分辨率的相位检测， 但无法消除温度影响，故不适用于准静态的检测，主要适合于动态相位信号。 图2 4 表示了一个应用干涉扫描方法的探测系统。宽带光源发出的光经耦合 器进入传感光纤光栅，传感光纤光栅的反射光先后经2 个耦合器进入非平衡m z 干涉仪，其中的相位补偿反馈系统驱动p z t 是为了抵消直流零点漂移而引入的。 当光栅的反射波长变化a t s i n c o t 时，非平衡m z 干涉仪输出光的相位变化 为矽( 见) 缈( 五) ：一2 _ = a n 丁d 一名s i n 倒 ( 2 9 ) 尤 式中，d 为干涉仪两臂长度差，故通过检测非平衡m z 干涉仪输出光的相位 变化缈( 五) ，便可得到光栅的波长变化量，从而探知被测物理量大小。在这个探 测系统里，光程差不平衡的m z 干涉仪用于动态应变的测量的波长扫描，这个系 统在频率是1 0 0 h z 时，应变灵敏度可以达到约0 6 n e h z 。1 坨。 1 4 浙江大学硕j ! 学位论文 * ：- 二二二二二 传感光栅 p z 伸缩器、，e 芳衡m _ z 干涉仪 、口 ，一，il | 参考 一澌磊一壶础。妨 c o s ( 耐+ 0 0 + 九) 图2 4 双折射扫描方法原理图 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波长扫描器件的分辨率。波长扫描器件的自 由光谱范围与光程差是相互制约的，因此系统的测量范围与分辨率也是相互制约 的。为了保持测量分辨率的前提下扩大测量范围，1 9 9 6 年，r a o 等人【3 8 j 提出了一 种双腔长( 双光程差) 干涉扫描法，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级数，从而扩大 了测量的范围。同年，他们又提出了一种将两个频分复用的干涉仪级联起来的改 进方法 3 9 1 ，这种方法可以用于应变的实时测量，实验得到测量范围与分辨率之比 为4 x 1 0 4 ：l 。由此可以看出光纤布拉格光栅传感器与传统的光纤干涉传感器相 比有很大的优势。 2 2 3 可调谐滤波器法 利用扫描光滤波器，如声光可调滤波器( a o t f ) 、基于布拉格光栅的滤波 器和可调i 皆f a b r y p e r o t ( f p ) 等，可以跟踪传感光栅的波长变化，当可调谐滤波 器的光谱与光栅匹配时，输出最大值，相应跟踪的波长变化与传感光栅的波长移 位有关。但使用窄带扫描滤波器的扫描时间和采样间隔成反比，因此，测量分辨 浙江大学硕十学位论文 率受返回信号的信噪比限制，也受可调谐滤波器和传感光栅带宽的限制。 2 2 3 1 声光可调谐滤波器 声光可调滤波器是一种由射频( r f ) 驱动频率调谐的固态光滤波器【4 0 4 ， 它具有更大的可调谐波长范围( 可以高达几百个微米) ，时间响应可小于5 k h z ， 并具有窄的光谱带宽，因此，如果单光源或者组合光源的带宽能够满足一定的要 求，那么可调谐声光滤波器在大规模光栅传感器复用方面将有巨大的潜力。利用 a o t f 中不同频率的多射频信号，原理上可以实现多光栅的并行检测。 1 9 9 3 年，x u 等人报道了这样一个探测系统【4 2 】，如图2 5 所示，这是工作在 锁定模式的，检测系统采用反馈环来跟踪特定的光栅波长，射频发生器发出射频 信号，可调谐声光滤波器的输出波长是射频信号频率的函数，由射频信号的变化 来改变。该系统的温度灵敏度为一0 9 5 k h z o c ，不是很高。 i 童堂堂塑卜一7 ( 二二) 二 、 传感光栅 o 透镜 可调谐声光 滤波器口臼 囱 翠 9 “匿 堙亟亟巫习医堕重困 母 图2 5 基丁可调谐声光滤波器的方案原理框图 在图2 - 5 中，平均a o t f 的频率应变比为9 6 7 h z g e1 4 3 1 。提高计量光栅的次 数可以改善检测的分辨率，在实际应用中，加长检测期以得到a o t f 的平均频 率。通过对应用的射频信号频率抖动和探测接受到的信号的幅度调制状况来给出 一个反馈信号，可以使得滤波器的平均波长值锁定传感光栅的瞬时波长值。当滤 浙江人学硕七学位论文 波器的平均波长和传感光栅的瞬时波长一致时，幅度调制为0 ，由具有低频方波 信号输入的压控振荡器叠加一个直流分量信号来调制平均频率。 在小的带宽范围内使用，a o t f 的检测精度可以得到很大的提高，1 9 9 3 年， d u n p h y 等人 删在约1 2 0 n m 的波长范围内，具有0 2 n m 带宽的a o t f 的波长移位 分辨率优于l p m ，显然这个器件适用于光栅传感系统，但是它的长期温度稳定性 人们正在进行多方面的研究。另外，高分辨率设备的温度稳定性值得研究，例如， 3 3 n m 带宽的a o t f 的温度系数为2 6 8 k h z 或0 0 3 n m 将等价于约2 8 胎的 应变 4 2 1 。 2 2 3 2 可调谐光纤布拉格光栅滤波器 基于布拉格光栅的可调谐滤波器来探测传感光栅的波长漂移量，是在检测端 设置一个参考光栅，其光栅常数与传感光栅相同，参考光栅上置有一个环形压电 元件或者光纤拉缩器，当改变压电元件的电压时，就改变了压电元件作用于光栅 的应变，这样就组成了可调谐光纤布拉格光栅滤波器( t b g f