（光学工程专业论文）光纤fpfbg传感器通用解调技术研究.pdf

中文摘要 摘要 光纤传感器具有易于复用、不受电磁干扰、绝缘性能高、防爆性能好、耐腐 蚀等优点，随着光纤通讯技术的发展而得到日益广泛的应用。其中，光纤f p 传 感器和光纤f b g 传感器是光纤传感器的典型代表，两者各有所长，均得到了广泛 的应用。随着光纤传感技术的发展，提出了在大型工程中同时采用这两种传感器 的要求。在这种情况下，如果采用两套独立的解调装置分别对光纤f p 传感器、 光纤f b g 传感器的传感信号进行解调，虽然在技术上比较成熟，但同时也增加了 解调系统的复杂程度，降低了系统的可靠性，明显提高了解调成本，阻碍了光纤 传感器更为广泛的应用。因此，对光纤f - p f b g 光栅通用解调技术进行研究具有 必要性。 本文首先对国内外光纤f p 传感器、光纤f b g 传感器的解调技术现状进行较深 入的分析，总结出引入可调f p 滤波器可以对光纤f p 传感器、光纤f b g 传感器 信号分别进行解调，有望以此为基础实现光纤f p f b g 光栅通用解调。因此，进 一步分析了滤波型可调f p 解调装置的传输损耗特性，光源光谱实际分布对于光 纤f p 传感器输出信号的影响，深入讨论了基于可调f p 滤波器的光纤f p 传感解 调原理；另一方面，介绍了f b g 的成栅工艺和传感特性，分析了f b g 温度应力 交叉敏感性的利用与补偿原理，并对使用可调f p 滤波器的光纤f b g 解调过程中 的波形延拓现象和可调f p 滤波器非线性对f b g 解调的影响进行了讨论。在此基 础上，讨论了两种解调系统对光源带宽要求、可调f p 滤波器指标和光路效率等 方面的不同要求，论证了引入可调f p 滤波器实现光纤f - p f b g 光栅通用解调在 原理上和技术上的可行性；考虑到可调f p 滤波器表现的非线性，分析了引入基 准光路补偿非线性解调误差的原理，提出了采用f b g 作为波长基准的方法，进而 完成了f b g 波长基准器件的研制和光纤f p f b g 光栅通用解调系统光路设计。以 光路确定为前提，进行了s l d 光源驱动电路、f b g 波长基准控制电路和可调f p 滤波器控制电路的论证和设计工作。最后，通过实验验证了f b g 波长基准器件、 s l d 光源驱动电路、可调f p 滤波器控制电路等自行研制的各个部件的各项性能， 并在此基础上进行光纤f p f b g 光栅通用解调系统进行了f p 解调和f b g 解调的 实验。实验结果说明，整套光纤f p f b g 光栅通用解调系统能够正常工作，实现 了预期的功能。 关键词：通用解调技术，光纤f - p 传感器，光纤f b g 传感器，可调f - p 滤波器 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f o p t i cf i b e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , o p t i cf i b e rs e n s o r s a r ew i d e l yu s e d w i t hm o n i t o r i n gt h ec h a n g i n go f o p t i ci n t e n s i t y , w a v e l e n g t h , p h a s ea n d p o l a r i z a t i o ns t a t e ，o p t i c f i b e rs e n s o r sc a nd e t e c tm a n yp a r a m e t e r s ，s u c ha sp r e s s u r e ， s t r a i n , t e m p e r a t u r e , e t c t h e y h a v et h ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，e a s i l yd u p l i c a t e d ， l o w s e n s i t i v i t y t o w a r d s m a g n e t i c ，h i 曲i n s u l a t i o n a n d g o o dd e f e n d i n gb u r s t i n g c a p a b i l i t y t h e r ea r et w ot y p i c a lo p t i cf i b e rs e n s o r s ，f i b e rf p ( f a b r y - p e r o t ) s e n s o r a n d f i b e rf b g ( f i b e rb m g gg r a t i n g ) s e n s o le a c hh a sm a n ya d v a n t a g e s ，a n dh a sb e e n a l r e a d yw i d e l y u s e d t h e s et w os e n s o r sa r e s y n c h r o n o u s l y d e m a n d e di n g r e a t e n g i n e e r i n g o t h e r w i s e ，e x i s t i n gd e m o d u l a t i n gm e t h o di n c r e a s e st h ec o m p l e x i t yo f d e m o d u l a t i n gs y s t e m , d e c r e a s i n gd e p e n d a b i l i t ya n de n h a n c i n gc o s to fs y s t e m s oi t i s n e c e s s a r y t o s t u d yg e n e r a ld e m o d u l a t i n g m e t h o df o rf p f b gs e n s o ls os o m e r e s e a r c h e sa r ec a r r i e do ni nt h i sp a p e r a tt h eb e g i n n i n go ft h i s p a p e r , t h ep r i n c i p l eo fm a n yk i n d so fd e m o d u l a t i o n m e t h o d sf o rf i b e rf - p f b gs e n s o r s a r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ，ac o n c l u s i o ni sd r a w n t h a tu s i n gt u n a b l ef pf i l t e rc a nr e a l i z ed e m o d u l a t i o nf o rf i b e rf - ps e n s o r sa n df i b e r f b gs e n s o r ss e p a r a t e l y i no r d e rt ov a l i d a t et h ea v a i l a b i l i t yo fg e n e r a ld e m o d u l a t i o n s y s t e mf o rf i b e rf - p f b gs e n s o r su s i n gat u n a b l ef - pf i l t e r , w a s t a g ec h a r a c t e r i s t i co f t u n a b l ef pm o d u l a t i n gd e v i c ea n dt h ee f f e c to fa c t u a ls p e c t r u mt os e n s o ro u t p u ta r e d e e p l ya n a l y z e d ，m o d u l a t i n gp r i n c i p l eb a s e dt u n a b l ef pf i l t e ri st h o m u g hd i s c u s s e d a n dc o n s i d e r i n g n o n - l i n e a r i t y o ft u n a b l ef - pf i l t e r , b e n c h m a r kc o m p e n s a t i o nf o r n o n - l i n e a r i t yd e m o d u l a t i n gp r i n c i p l e i s p u tf o r w a r d ，w h i c hu s i n g as e r i e so ff b g w a v e l e n g t hr e f e r e n c e s a sb e n c h m a r k s t h ed e v i c eo ff b gw a v e l e n g t hr e f e r e n c ei s s t u d i e da n dm a n u f a c t u r e d ，a n dg e n e r a ld e m o d u l a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d s l dl i g h t s o u r c ed r i v i n gc i r c u i t , c o n t r o l l i n gc i r c u i to ff b gw a v e l e n g t hr e f e r e n c ea n dt u n a b l ef - p f i l t e ra r ea n a l y z e da n dd e s i g n e d f i n a l l y ，e x p e r i m e n t so ff - pa n df b g d e m o d u l a t i n g s y s t e m a r ec a r d e d e x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h ep e r f o r m a n c eo f t h e s ec i r c u i t sa n dp a r t s a r eu s a b l ea n dd e p e n d a b l ea n ds u c hd e m o d u l a t i n gs y s t e mi si ng o o dw o r k i n g k e y w o r d s ：g e n e r a ld e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e , f i b e rf a b r y - p e r o ts e n s o r ，f i b e rf b g s e n s o r , t u n a b l ef a b r y - p e r o tf i l t e r l u 1 绪论 1绪论 1 1 引言 传感器技术是现代信息技术的重要内容，是人们在高新技术发展方面争夺的制 高点之一。在国外，各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键： 从2 0 世纪8 0 年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新技术之首，美国 等各西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点内容。我国在2 0 世 纪8 0 年代以来也已将传感器技术列入国家高新技术发展的重点 1 】。从广义上讲， 传感器就是能感受外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置； 从狭义上讲，传感器就是能将外界信息转换成电信号的装置。 光纤传感器技术是随着光纤通讯技术的发展而发展起来的，它起步于上个世纪 7 0 年代末【2 】。光纤传感器技术就是通过待测量对光纤内的传输光进行调制，使传 输光的强度( 振幅) 、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再对被调制的光信号 进行解调，从而得出待测量的一种新型传感器技术。经过2 0 多年时间的发展，光 纤传感器技术已经有了长足的进步，目前己成功研制了种类繁多的光纤传感器 1 3 】1 4 】 5 】【6 。光纤传感器与传统的传感器相比主要差别在于：传统的传感器是以应变一 电量为基础，并通过有线或无线方式对信号进行传输；光纤传感器是以光信号为 变换和传输的载体，利用光纤传输信号。它具有许多独特的优点 7 ： ( 1 ) 不受电磁场的干扰。当光信息在光纤中传输时，它不会与电磁场产生作用， 因而，信息在传输过程中抗电磁干扰能力很强； ( 2 ) 绝缘性能高。光纤是绝缘的非金属材料，其外层的涂覆材料也不导电，很 方便测量高压设备的各种参数； ( 3 ) 防爆性能好。光纤内部传输的是能量很小的光信息，不会产生火花、高温、 漏电等不安全因素，因此，光纤传感器的安全性能好，适合于易燃、易爆对象的 参数测量； ( 4 ) 光纤细而柔软，可制成非常小巧的光纤传感器用于测量特殊对象及场合的 参数，这也是智能结构系统的重要组成部分； ( 5 ) 便于复用，便于成网，有利于与现有光通信技术结合，组成遥测网和光纤 传感网络。 光纤传感，包含对外界信号( 被测量) 的感知和传输两种功能。所谓感知，是指 外界信号按照其变化规律使光纤中传输光波的物理特征参量，如强度( 功率) 、波长、 频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即“感知”外界信号的变化。 这种感知实质上是外界信号对光纤中传播的光波实施调制。所谓传输，是指光纤 重庆大学硕士学位论文 将受外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出 来并按照需要进行数据处理，也就是解调即外界信号( 被测量) 如何调制光纤中的光 波参量的调制技术( 或加载技术) 及如何从已被调制的光波中提取外界信号( 被测量) 的解调技术( 或检测技术) 。因此，光纤传感器可从光纤传感原理、信号调制方式及 测量结构等不同角度分类。 按照其传感原理，光纤传感器可分为非本征型传感器( 又称为传光型光纤传感 器) 和本征型传感器( 又称为传感型光纤传感器) 。在非本征型光纤传感器中，光 纤仅作为光传播的介质，而其本身的物理、化学性质并不会受到外界的调制而发 生变化；在本征型光纤传感器当中，光纤不仅起到传光的作用，而且还利用光纤 在外界因素作用下，其光学特性( 如光纤对光的吸收散射、光纤折射率的变化、 偏振态的变化等) 的变化来实现传感功能。 按照光在光纤中被调制的原理，则可将光纤传感器分为光纤强度调制传感器、 光纤相位调制传感器、光纤偏振态调制传感器和光纤频率调制传感器等。其中光 纤强度调制型传感器结构简单、测量范围较小、精度较低，通常用在测量精度要 求不高的场合：而在对测量精度要求较高的场所则采用光纤频率和相位调制型传 感器。 根据测量结构的不同，光纤传感器可分为迈克尔逊干涉型光纤传感器、布喇格 光纤光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，缩写为f b g ) 传感器及光纤法珀( f a b r yp e r o t ，缩写 为f p ) 传感器等。迈克尔逊干涉型光纤传感器目前在欧洲各国较为常见，但是由 于它要将两根有一定长度的光纤全部安装于所测对象上，因此其在实际工程中的 安装工艺要相对复杂些；光纤f b g 传感器和光纤f p 传感器仅须将一根光纤安装 于所测对象上，光路相对简洁，是应用较为广泛的光纤传感器。其中光纤f b g 传 感器属于频率调制型传感器，结构简单，可用于多种特殊场合；光纤f p 传感器 利用多光束干涉原理测量，精度较高，受温度影响较小。 在光纤传感系统中，将外界信号从调制光波中提取出来并按照需要进行数据处 理的过程，即解调过程，涉及到有用光信号的提取以及光电转换等关键步骤，对 系统性能有决定性的影响；因此，光纤f b g 传感器和光纤f p 传感器的解调技术 研究，也是光纤传感应用中的关键内容之一。 1 2 光纤f - p 传感解调技术国内外研究现状 光纤f - p 传感器是目前用得最为普遍的一种光纤传感器 8 】【9 】 1 0 】，它的核心部分 是一个f - p 腔，图1 1 为光纤f - p 传感器的结构示意图。将两根光纤的端面加工为 镜面作为反射面，使两光纤端面严格平行、同轴，形成一个腔长为，的密封光纤 f - p 腔，这样就形成了光纤f p 传感器。假设f - p 腔两反射面的反射率相同，则当 1 绪论 一束光通过光纤入射到该f p 腔内时，在 f p 腔的两端面发生多次反射和透射，形 成多光束干涉，在这里也可以称之为f p 干涉。反射光沿原路返回，透射光从f p 腔的另一端射出。根据多光束干涉原理可 以求得反射光和透射光的光强分布分别 为： h o li o w - c o r e b 7 a i f l 。1 t _ _ ：_ 、 、j 什、 隧“i 簿黧+ “。目 i m m $ m $ l i ；i i i i i i i i ! i l i 、i i # x a i气 f i b e r l + t + | f i b b r 图1 1 光纤法珀应变传感器的结构 产协= 石4 丽r s i n 2 ( 6 ) “ ( 1 一r ) 2 + 4 月s i l l 2 ( 三) p 协石蕊( 1 - r ) 2 4 r s i n ( 1 2 ) ( 1 一尺) 2 +2 ( 二- ) 式中r 是f p 腔两端面的反射率，厶( 丑) 为入射光强。巧为相邻两反射光或透射 光之间在无穷远处的相位差，考虑到两端面之间的介质为空气，以及由于光纤f - p 腔本身的特点，入射光可以近似为垂直入射，占可以简化为4 4 ，为f p 腔的腔 长，入为光波长。因此( 1 1 ) 和( 1 2 ) 式可以改写为： 4 月s i n 2 ( 2 _ x ) 77五=(1-r)2+4rsjin，_2(一-挈-)4r s i n 厶五1 3 p 协卜丽兰4 生r s i n 再张 n 4 ， ( 1 一r ) 2 +。( = ) 对于光纤f p 传感器，一般都是采用反射光作为被传感器调制的输出信号，可以 使传感器装配工艺得到简化。 由( 1 4 ) 式可以看出当一束光入射到f p 传感器被调制后，传感器输出光中包 含有f - p 腔腔长，的信息，由其输出光信号i r 获得的被测对象的参数，这就是光 纤f - p 传感器的信号解调过程。根据解调时所利用的光学参量，光纤f - p 传感器 重庆大学硕士学位论文 1 2 1 国外光纤f - p 传感解调技术研究 光纤f p 传感器的强度解调是较早得到应用的一种解调方法，由r a n a d e 等人 最先提出f 1 1 。 在光纤f p 传感系统中如果所用的光源是单色光源，则入射波长九为一固定值， 入射光强1 0 n ) 为常数i o 。由( 1 3 ) 式可以明显的看出，传感器输出反射光强p 是腔长，的周期函数。对( 1 3 ) 式求极值得知，当腔长，是詈的奇数倍，即 ，= ( 2 m + 1 ) 4 ，( r 取付似八但i 1 7 0 ； 羚 当腔长，是鲁偶数倍，即，= 2 m 要q - 时，n 、|y c 蝴畦t y 孓蚺h ，￥惭l t n 盯h 图1 2 传感器输出光强与法珀腔长对应关系 f i z l 2 r e l a t i o n s h i db e t w e e no u l d u ti n t e n s i t ya n d 图1 3 强度型光纤f - p 传感系统 f i 9 1 3s 仇l c t u r e o f t h ei n t e n s i t yf i b e rf - ps n s o r 取得极小值零。图1 2 为传感 器输出光强，和传感器腔长， 的关系图。由图可以看出传感器 输出光强和f p 腔长之间呈近似 的余弦关系。当传感器腔长，的 变化比较小时，具体的当腔长变 化范围小于 1 4 时( 如图1 2 中所 表示的变化范围) ，传感器的输 出光强j ( 7 是传感器腔长j 的单 值函数，对于一个确定的传感器 系统，测量出传感器的输出光强 ( ”，依据( 1 3 ) 式就可以求出传 感器的腔长。因此，在设计系统 时只要确保传感器输出光强和 腔长之间的单值性，就可以使得传感器的输出光强与腔长之间实现一一对应的关 系，在实际测量时通过测量出传感器输出光强来求出传感器的腔长变化，实现对 被测量的测量。图1 3 为强度型光纤f p 传感系统的结构示意图。它主要有光源、 传感器、光电探测器和数据处理等几个部分组成。强度型光纤f - p 传感系统比较 容易实现，但是，由于它是通过传感器输出光强与传感器腔长之间的对应关系来 实现对应变的测量的，因此它对光源的依赖性很强；而实际上光源输出光强会受 到温度等外界环境的影响，这就对系统的测量准确度造成了负面的影响。 为补偿光源输出光强变动对强度解调装置的影响，美国弗吉尼亚大学王安波”刈 等人提出了基于宽带光源的自补偿式强度解调方法。其原理如图1 4 所示。 4 1 绪论 啄! 产曹钐 错 吼“” f p s e n s o r 撕吐 ( a ) 系统原理( b ) 接收光谱 图1 4 改进强度解调原理 f i 9 1 4 s t r u c t u r eo f t h ea d v a n c e d i n t e n s i t yf i b e rf ps y s t e m 采用宽带光源取代单色光源，则注入光纤而、由传感器输出光强厶皆成为多各 单色光的组合瓦、瓦；不经分束器分束后，一路探测器d 2 直接接收部分复合反射 光不2 ，另一路探测器d l 则接收由窄带滤波器f 筛选出、波长为a 的那一束单色 光厶( d 。显然探测器2 输出结果厶( 可由( 1 3 ) 式表示。由于宽带光源的光谱分 布都很接近高斯分布，其相干长度l c 近似为： 丘= 台 ( 1 5 ) 由于经滤光片f 滤光、d l 接收的单色反射光i r ( 九) ，其带宽a 九i 远小于d 2 直接 接收的复合反射光7 , 2 的带宽九2 ，因此前者的相干长度l c l 远大于后者的相干长 度l c 2 。如果使得光纤法珀腔的腔长k 远小于l c l 、而又远大于k 2 ，则单色光i r ( 九) 将满足相干条件，其输出为( 1 3 ) 式所描述的干涉输出条纹；而复色光兄2 则不能 满足相干条件，其输出就是与l 无关、恒定不变的普通非相干光。将两者相除得 到： ，。：上坠竺盟( 1 6 ) 1 “ 1 + r 2 2 r c o s 西 、7 显然( 1 6 ) 式中消去了光源项i o ，因此最终结果1 0 u t 基本不受光源变动、光纤损 耗以及光路其他损耗等因素影响，达到实现强度自动补偿、光纤f p 传感器系统 自校准的目的。这种方法结合了强度解调和干涉方法的优点，分辨率高，响应快， 受外界因素影响小，解调容易实现；但这种方法同样需要限制光纤f - p 传感器腔 长h 的总变化范围必须在2 4 的线性区间内变化，这样不利于传感器的量程扩大， 同时对传感器的制作工艺也提出了较高要求。 重庆大学硕士学位论文 加拿大国立光学中心的c l a u d eb e l l e v i l l e 、g a e t a nd u p l a i n 等人所提出f i z e a u 干涉光纤f p 测量装置采用了相位解调的方法1 1 3 】。 图1 5 利用菲索干涉原理解调的光纤f - p 传感器 f i 9 1 5o p t i c a lf i b e rs e l l s o l c o n f i g u r a t i o nc o m b i n e d t ot h ef i z e a ui n t e r f c r o m e t e r 如图1 5 所示，宽带光源发出的部分相干光经耦台器、光纤进入传感器，光束 受到f p 应变传感器的调制后，携带外界的应变信息沿光纤原路返回，经耦合器 导向，射向透镜，变为平行光后，经过f i z e a u 干涉仪 1 ”，后用一个线性的光电探 测阵列探测，然后对探测到的信号做相应的处理。当f p 传感器的某个腔长所对 应的反射输出光经过f i z e a u 干涉仪后，在锲形膜的厚度刚好与传感器的腔长值相 等的地方，探测器所探测到的光强最大。当f p 腔腔长受外界的外力作用而发生 变化时，探测器所探测到的最大光强值的位置也随着变化。当光电探测器以固定 的扫描频率扫描时，只需测量从扫描的空间起始点到扫描获得最大光强处的空间 距离，就可以得出光纤f p 传感器因外界作用所产生的应变。加拿大r o e t e s t 公司 在图1 5 的基础上对具体工艺做了改进，目前已经实现了商品化【l ”。 1 2 2 国内光纤f - p 传感解调技术研究 从9 0 年代开始，我国就开始了光纤f p 传感技术方面的应用研究，其中光纤 f - p 传感的解调技术是非常普遍并且很重要的一个方面。重庆大学、燕山大学、 四川大学、清华大学，哈尔滨工业大学等各高等院校在这方面纷纷投入较多的研 发力量，其中重庆大学、燕山大学的研究相对比较深入。 燕山大学的王听等人从光纤f p 传 感器的理论模型入手口“，对传感的机理 在理论上做了详细的讨论，研制了白光 干涉型光纤f p 传感器光栅解调系统， 如图1 6 所示。白光光源发出的光波经 过耦合器进入到光纤f p 传感器内。 由光纤传感器进行调制的光信号返回 到光纤传感器的读出装置。并通过凹面 反射镜1 变为平行光，接着通过光栅进 行色散，波长不同通过平面反射光栅以 6 图1 6白光干涉的光纤f _ p 传感解调 f i 9 1 6s t r u c t u r eo f w h i t et i g h tf - p f i b e rs y s t e m i 绪论 后的出射角度也不同，最后被一个电荷耦合器件( c c d ) 阵列检测。这种结构的光纤 传感系统利用了光纤f p 传感器抗干扰能力强、结构简单、体积小、只用单根光 纤传输光信息的特点，具有良好的线性响应和对光的损失不敏感的特点。 重庆大学的相关研究人员在综合国内外研究基础上，提出和完善了使用可调 f p 滤波器的相关型和滤波型光纤f p 传感解调方法，其核心思想是将两个f p 腔 组合到一起，其中一个作传感部分，还有一个作解调部分，利用系统输出光强与 两个f p 腔长之间的关系求得传感f p 腔的腔长。 t u n 图1 7 相关型可调f p 解调的光纤f p 传感原理 f i g1 7f i b e r f - ps e n s o rs y s t e mb a s e do nc r o s s c o r r e l a t o r 图1 7 是相关型可调f p 解调装置，系统输出光强由两个f p 腔的腔长共同决 定。当两个f p 腔的腔长相等时，系统的最终输出光强将取得最大值。如果将两 个f p 腔串联在一起，通过某种方法使可调f p 干涉仪的腔长，发生变化，并且使 其变化范围包含传感f p 腔的腔长 所有可能的取值。可调f p 干涉仪的腔长，每 变化一个周期，必然在某一时刻t 。系统输出光强将出现极大值，而在此时两个f p 腔的腔长是相等的。如果可调f p 干涉仪的腔长l 和时间t 之间存在某种确定的函 数关系：，= 厂( f ) ，那么由时间t 。就可以求出f p 干涉仪( 2 ) 的腔长，从而求出 传感f p 腔的腔长“该系统是基于两个f - p 干涉仪输出相关特性实现的，具体的 数学公式推导可参考相关文科”】。 图1 - 8 是滤波型可调f p 解调装置，对于一个由两个f p 腔组成的双f p 串联 组合系统，如果传感f p 腔的端面反射率冠比较低，而滤波f p 腔反射端面的 反射率r ，- - - 1 ，则当一束均匀分布，且为单位光强的宽带光经过传感f p 腔反射 之后，又让它通过滤波个f p 腔，那么从滤波f p 腔种透射出的光将是一些分离的 单色光。即相当于利用滤波f p 腔的窄带带通特性对光纤f p 传感器的光谱信号进 行采样，求出传感器的干涉光强分布，从而求出光纤f p 传感器的腔长。这部分 相关的理论在下一章详细探讨。 重庆大学硕士学位论文 图1 8 可调法珀滤波器解调光纤法珀传感器的原理图 f i 9 1 8 f i b e r f - ps e a s ) o - s y s t e m b a s e d o i l t h e t u n a b l e f - p f i l t e r 1 3 光纤f b g 传感解调技术国内外研究现状 光纤光栅传感器是利用掺杂光纤的紫外光敏特性，将呈空间周期性的强紫外 激光照射掺杂光纤、从而使掺杂光纤的纤芯形成折射率沿轴向周期性分布，得到 一种芯内位相光栅，即光纤光栅，亦称为光纤布喇格光栅( o p t i c a lf i b e rb r a g g g r a t i n g ，缩写为f b g ) 。根据布喇格衍射原理，当多种波长的光束由光纤内入射到 f b g 上时，只有某一个波长的光被反射并沿原路返回，其余所有波长的光都基本 无损失地穿过f b g 继续传输，如图1 9 所示。被反射的那一个波长称为布喇格波 长如，它由f b g 的栅距人及有效折射率，决定： 五，五 b = 2 ”盯a ( a ) a 图1 9 f b g 传感器( a ) f b g 原理图( b ) f b o 测量系统 f i g1 9 f b g s e n s o i ( a ) f b gt h e o r y g r a p h ( b ) i t sm e a s u r e m e n ts y s t e m ( 1 7 ) 1 绪论 将f b g 粘在所测对象的表面或 者埋在其内部，则当应变、温度等 因素使f b g 的栅距a 或有效折射 率n ，产生变化时，被f b g 反射的 布喇格波长如亦产生相应变化，如 图1 1 0 所示；因此通过求出被f b g 反射回的光波长发生的变化从。 就可以求出f b g 发生的应变，进 而求出所测对象的应变或温度等 被测量的变化。波长的绝对编码， n a r m a i z e d i n t t m s i t y 一i 亚 l 。襄 图1 1 0f b g 反射光波长随外界的变化 f i g1 1 0r e f l e c t i o nw a v e l e n g t ho f f b g v a r i e s w i t ht h ee x t e r n a l i t y 是f b g 的最大优点；布喇格波长的变动量很小，则是f b g 应用的难点。即f b g 的解调，原理上比较简单，但技术工艺实现上相对复杂。为此，提出过很多方案” ， 大致分为滤波法、窄带光源法、干涉法等。 1 3 1 国外光纤f b q 传感解调技术研究 图1 1 1 司调f b g 滤波器解调光纤f b g 传感器的原理图 f i g1 1 1f i b e r f b g s e n s o rs y s t e m b a s e do n t h e t u n a b l e f b g f i l t e r f e r r e i m 等人引入与传感f b g 匹配的滤波参考f bg 【” ，利用图1 1 l 所示的匹配 滤波f b g 解调方案，实现对传感f b g 信号的解调。为得到传感f b g 信号，调整 滤波f b g ，通过得到最大反射信号或最小透射信号便可得出传感f b g 波长的移动 量，进而得到待测量。该方法结构简单，造价低廉，且结果基本不受f b g 谱线包 络可能存在的精细结构叠加的影响。 k e r s e y 等人引入可调f - p 滤波器实现对传感f b g 信号的解调【2 0 1 。其解调结构 大致与图1 1 l 类似，但使用可调f p 滤波器代替可调f b g 滤波器。这样优点有二： 通过合理设计f p 滤波器腔长和端面反射率，可以获得比可调f b g 滤波器更窄和 更理想的带通滤波曲线；可调f p 滤波器受温度等外界因素影响相对于可调f b g 重庆大学硕士学位论文 滤波器较小，可以获得更好的长期稳定性。使用可调f p 滤波器的f b g 解调系统 已由美国m i c r o no p t i c s 公司实现商业化。 k e r s e y 等人使用非平衡式m _ z 干涉仪对传感f b g 信号进行解调f 2 ”，装置如图 1 1 2 所示。宽带光源的出射光经耦合器入射到传感f b g ，被反射后进入m z 干涉 仪，通过m - z 干涉仪把f b g 的波长变化转换为相位变化。在实验中通过压电陶瓷 控制干涉仪的一臂，使相位相差9 0 。结果表明该装置具有宽带宽、高解析度的 解调能力。这种方法对干涉仪及反馈装置要求很高，结构复杂，成本高昂，在实 际工程应用实现难度较大。 图1 1 2 非平衡m _ z 干涉解调f b g 传感器的原理图 f i g 1 1 2f i b e rf b gs e n s o rs y s t e mb a s e do nm - zi n t e r f e r e n c e 图1 1 3 基于可调激光器的f b g 传感解调原理 f i g1 1 3f i b e r f b g s e n s o rs y s t e m b a s e d o n t u n a b l e l a s e r b a l l 等人提出了使用可调窄带激光光源对传感f b g 信号进行解调的方法m 】， 装置如图1 1 3 所示。d b r 激光器固定在压电片( p z t ) 上，当p z t 受周期电压驱 动时，激光波长在一定范围内扫描，通过得到最大反射信号得到待测的f b g 波长， 从而得到f b g 反射率与所加电压之间的函数关系。另外可在p z t 上加入抖动电压， 1 绪论 使波长精确锁定在f b g 达到峰值反射率的波长上。 1 3 2 国内光纤f b g 传感解调技术研究 国内的相关研究机构与研究人员在上述f b g 解调方法的具体实现上进行了一 定的研究工作。 张昕明、余有龙等人使用了干涉解调和可调f b g 滤波器解调两种方法对f b g 传感器进行了解调实验，并制备了c 波段的a s e 光源，带宽大于5 0 n m 。其中干 涉解调系统的分辨率为8 2 1 a e ，传感灵敏度为5 3 4 p m 肛 ”】。 关柏鸥等人验证完善了使用可调窄带激光光源对传感f b g 信号进行寻址解调 的方法。激光光源步进扫描由计算机控制，输出信号也由计算机采集。f b g 传感 器温度灵敏度约为o 1 3 s t e p c ，实验的数据经换算后与理论值基本吻合【2 4 】。 杜卫冲等人采用透射式结构的可调f b g 滤波器解调方法，测得f b g 传感器温 度灵敏度约为o 0 0 8 8 n m 。c 【2 ”。 上海紫珊光电公司也做了相关的工作，研制了可调f b g 滤波器以及基于该滤 波器的f b g 解调系统，目前正在为实现商品化进行工作。 1 4 光纤f p f b g 通用解调技术的研究内容及意义 前面提到，光纤f p 传感器、光纤f b g 传感器已经在工程中得到较广泛的应用， 而且随着光纤传感技术的发展，逐步提出了在一些较大的工程中同时采用了这两 种传感器的要求。传统上常采用两套解调装置分别对光纤f p 传感器、光纤f b g 传感器的传感信号进行解调。这种解调手段在技术上比较成熟，且光纤f p 传感 器、光纤f b g 传感器的解调过程互不影响。但是其不足也是显而易见的：采用光 纤f p 传感器、光纤f b g 传感器的两套解调装置增加了解调系统的复杂程度，降 低了系统的可靠性，同时也明显提高了解调成本。如果能够利用某种解调系统对 光纤f p f b g 光栅通用解调，则有望降低成本，提高系统的可靠性与可维护性， 更加灵活地复用光纤f p 传感器与光纤f b g 传感器。与此对比，国内外目前还很 少有相关的研究报道。因此，光纤f p f b g 光栅通用解调研究具有必要性。同时， 综合前面的国内外光纤f - p 传感器、光纤f b g 传感器的解调技术研究状况，不难 看出，光纤f p 传感器、光纤f b g 传感器的硬件装置很多都是通用的，其中使用 可调f p 滤波器，可以完成光纤f p 传感器、光纤f b g 传感器信号的解调，且两 种解调装置十分类似，以此为基础实现光纤f p f b g 光栅通用解调的可能性相对 较大。综上所述，开展光纤f p f b g 光栅通用解调技术研究，同时具有必要性与 可行性。 因此需要对国内外光纤f p 传感器、光纤f b g 传感器的解调技术进行迸一步的 了解，寻找实现光纤f p f b g 光栅通用解调的方法；然后依据这种通用解调方法， 霎鉴盔堂堡主堂堡笙苎 提出解调光路的总体设计方案，并由特定的解调对象要求，确定关键光学元件的 指标参数；最后需要完成整个光路与相关电路的设计与搭建，组成可操作的光纤 f - p f b g 光栅通用解调系统并进行相关实验。另外，光纤f - p 传感器、光纤f b g 传感器以及其它光学元件实际特性与理想情况存在差异，这种差异对解调的影响 也是本文的重要研究内容。 1 2 2 光纤f - p f b g 传感与解调理论研究 2 光纤f - p f b g 传感与解调理论研究 由前面的解调方法介绍可以看出，引入可调f - p 滤波器可以对光纤f p 传感 器、光纤f b g 传感器信号分别进行解调，结构简单。因此，本章将主要针对光 纤f p 传感器、光纤f b g 传感器及可调f p 滤波器实际光学特性，从理论上讨 论引入可调f p 滤波器对光纤f p f b g 光栅进行通用解调的可行性。 2 1 基于双f - p 串联滤波模型的f - p 解调分析 本节主要对如图1 _ 8 所示的滤波型可调f p 解调装置的实际特性进行相关的 理论分析，进一步讨论可调f p 滤波器解调光纤f - p 传感信号的工作原理。 2 1 1 考虑传输损耗存在情况下的f - p 传感器输出 在前面的讨论中得出这样的结论：一束宽带光入射到光纤f p 传感器会形成多 光束干涉，如果法珀腔的两端面的反射率相同，则反射光的干涉光强分布可用( 1 1 ) 式表示。( 1 _ 1 ) 式是在光纤f - p 腔不存在传输损耗的理想情况下得到的。然而，在实 际情况中由于光在光纤中并不是全部严格按轴向平行传播的，其传播方向在孔径 角范围内的所有光都能在光纤中传播。如图2 1 所示，从导引光纤输出的光不可能 全部传输到反射光纤的表面，从反射光纤表面反射出的光也不可能全部耦合到导 引光纤当中去。因此，光纤f p 干涉的实际情况和理想情况有所差异。 设当光波从光纤中进入f - p 腔内时，导引光纤端面的反射系数( 反射波振幅 曩、 ( i 习 o ： 图2 1 光在光纤法珀腔中的传输损耗 f i 9 2 1t r a n s m i t t i n gl o s so f t h ef i b e rf a b r yp e r o ti n t c r f c r o m e t e r 与入射波振幅之比) 为r 。，透射系数( 透射波振幅与入射波振幅之比) 为t 。；反射 光纤端面的反射系数为r 2 ，透射系数为t 2 。而当光波从f - p 腔内进入到光纤中时相 应的系数为：r l 、t l 、r 2 、t z 。假设设从导引光纤输出的光，经反射光纤反射后， 又耦合到导引光纤中的光功率耦合效率为，7 ，法珀腔长为，4 甜为入射波的电矢量 振幅。因此，f - p 腔反射光波的各个波的复振幅为： 重庆大学硕士学位论文 ，l m ，f 1 0 破。e “，“玩( 秘) 4 e “_ 。施( 现) 2 a m e “5 ， 张( 现) ”2 a i e 7 一矿。反射光为这些波的叠加，前p 个 反射波相叠加得到的反射光电矢量振幅一( p ) 为 爿( r ( p ) = _ 爿f 。+ t i t ，_ ，2 彳( 。e “+ f 1 1 该( 。- ，2 ) 彳。e “+ + f l f l ，7 ，2 。( 1 印吃) ”2a “e “9 1 咄似5 c 岳铲删m 仁- ， l 一 1 m e 当p 趋向于无穷时： n2 拍而。赤e l 一 、研 ： i 掣嚷兰乒丝垆 ( 2 2 ) 1 一，i 张 ”1 最后一步用了关系：1 = 一1 。则，由上式可以求出反射光的光强分布： ，( r ) = 一( r ( 4 ( ，) 2i r j l + 五r 气r 弓2 - i 2 i r l 矗 j 历了r 2 丽 c o s ( 8 ) 厶( a ) ( 2 3 ) 对于光纤的端面，1 、r 2 为实数，又因为r l = ( 巧1 ) 2 ，r 2 = ( 吐) 2 。所以( 2 3 ) 式可以 改写为： r 。+ 社：一2 、厨、历、压。( 掣) 。p = 爿p 4 p r = = 1 二j 了磊 i j ；了夏i c o s 。：；! i