基于光纤光栅的边缘滤波动态解调技术

1、基于光纤光栅的边缘滤波动态解调技术 Edge Filter Dynamic Demodulation Method Based on Filter BraggGrating摘要：本文阐述了基于光纤光栅的边缘滤波动态解调技术的研究。初步实验表明：解调仪适合传感FBG存在大幅度静态波长变化时，对微幅度动态波长变化的检测，动态波长检测范围分辨率为0.007上电时，可调滤波器具有对中心波长为1295.5nm1307.5nm范围光纤光栅自动跟踪能力。 关键词：光纤传感器 光纤光栅 动态应变测量 Hz。Abstract：We report Edge Filter Dynamic Demodulation

2、Method Based on Filter Bragg Grating. Initial experiments demonstrated this interrogation technique is suitable for the micro-amplitude dynamic wavelength detection existing in the large static wavelength change of the FBG, the dynamic wavelength detection resolution is 0.007Hz. The tunable optical

3、filter can track the FBG center wavelength between 1295.5nm1307.5nm when the system powered on. Keywords: Optical fiber sensors, Fiber Bragg grating, Dynamic strain measurements1 引言光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG) 是最近几十年来发展最为迅速的光纤无源器件之一。它具有许多独特的优点，例如：抗干扰性(如电磁场、湿度、化学腐蚀等)强、寿命长、复用性好(如WDM与DWDM)等。因而在光纤激光

4、器、光纤传感器及声光调制器等方面的研制与开发日益受到重视。在光纤光栅传感技术中，探测量是以波长来调制的，因而传感器解调过程是对一个FBG的反射波长的移动量的检测过程。研究人员已发展了多种动态范波长检测技术，诸如可调谐激光边波法1、锁模调制法、非平衡MZ干涉法。由于动态范围有限，它们无法实现传感FBG存在大幅度静态波长漂移时，对叠加在上面的微幅度动态波长变化的检测。而基于光纤布拉格光栅的边缘动态解调技术适合传感FBG存在大幅度静态波长变化时对微幅度动态波长的检测。该解调技术是针对光纤光栅水听器而研究的，它需要传感FBG在承受大幅度深水静压条件下，能对微幅度水声动态压力引起的波长变化进行检测。2

5、解调原理其解调原理框图入图1所示2，系统由三部分组成：光学部分，电路部分和标定实验系统部分。光学部分由宽带光源、耦合器、传感FBG，角度调谐的法布里-珀罗(Fabre-Parot，F-P)腔和光电探测器组成。电路部分由除法器、用于传感FBG自动跟踪的闭环反馈系统和带通滤波放大器组成。标定实验部分由悬臂梁、砝码、激振器和动态电阻应变片组成。图中PIN1、PIN2表示由PIN光电二极管组成的光电探测器，LPF、HPF(Low/High Pass Filter)分别表示低通/高通滤波器。宽带光源发出的光被传感光栅反射后进入耦合器，耦合器的出射光分为强度相等的两束，一束直接通过光电探测变成电信号，再经

6、前置放大器和低通滤波器后作为系统的参考信号，则参考信号的表达式为3：可IR(B)=I0R2 (1)式中：B表示FBG反射的中心波长，I0为由耦合器输出反射光的光强，R为传感光栅的反射率，为FBG反射谱高斯函数的频谱宽度；另一束，经线性边缘滤波器，再经光电转换及放大、滤波后输出。其中该线性滤波器光谱透过率为线性函数F()=A(-0)，其中A为滤波器的斜率，表示输入滤波器的光波波长，0为滤波器的截至波长。边缘滤波器采用电压驱动，角度调谐的法布里-珀罗(Fabre-Parot，F-P)腔。图2 Bragg光栅反射谱与F-P滤波器透射谱的叠加采用电压驱动改变F-P腔的镜面倾斜角，间接地改变腔长来选择F

7、-P腔透过的波长4，其传输特性示意图如图4-2所示。当外界的声音振动引起传感探头上的光纤Bragg光栅的反射波长漂移的同时，这个反射光谱与电压驱动可调法布里腔相叠加的部分将起变化，这个光信号的强弱变化将通过光电转换电路转变为更易于观测的电信号。测量该电信号变化的大小和频率就可以得知待测振动的大小和频率。经光电转换后携带了水声信号的输出信号可以表示为：IS(B)=I0RA(B-0 （2）式中I0，R，B，0，与（1）式同，需要说明的是，我们需要调整F-P腔的腔长使得其透射谱从一侧与FBG的反射谱相叠加，同时为了使解调系统的灵敏度尽可能提高，我们需要使F-P透射谱与FBG反射谱相交在斜率最大的地方

8、，这样在同等的振动下将观测到最明显的现象，得到最理想的灵敏度。这样，经过叠加后的信号与参考路光电探测后的信号相除可得：Iout(B)=Is(B)=A(B-0 （3） IR(B)该信号由两部分组成，一部分为静水压引起的缓变信号，一部分为水声振动引起的速变信号。缓变信号经低通滤波器（LPF），经过一个定值反馈控制系统，自动调节FP腔边缘滤波器驱动电压，使FP腔边缘滤波器能自动跟踪静水压引起FBG中心波长的变化，确保FBG中心波长永远在FP腔边缘滤波器边缘最陡峭位置，这样FP腔边缘滤波器的驱动电压就可以表征传感FBG中心波长的变化，这就是反馈自动跟踪测量。在FP腔边缘滤波器对传感FBG中心波长实现自

9、动跟踪时，FBG中心波长稳定保持在FP腔边缘滤波器边缘最陡峭位置，这时，传感FBG的任何微小动态应变，都可以转化为随时间调制的强度信号，而且对动态、微小应变响应是非常灵敏的。这就实现了传感FBG存在大幅度静态波长变化时，对微幅度动态波长的检测。3 实验及结果分析3.1 静态测量静态测量时将电路调整为开环状态。采用中心波长为1310nm，带宽40nm的SLD光源。驱动电流100mA，温度为20时输出功率为0.163mW。采用光纤中心研制的角度调制的FP腔滤波器，可调谐范围1295.5nm1307.5nm，调谐驱动电压010V，传感FBG波长为1298.56nm。将传感FBG张紧并粘贴在悬臂梁正中

10、，给悬臂梁一端施加砝码，从轴向等间距的拉伸传感FBG，每拉伸一次，记录一次测量结果。通过解调仪测定传感FBG中心波长的漂移得到图3所示测量结果，其测量结果的相关系数为0.9948。图3V=0.0095x+0.5645 （4）即：x=1(V-0.5645)=105.26(V-0.5645) （5） 0.0095在测试过程中，示波器显示的测试结果精度为10mV位，由此可知电路的本底噪声为10mV，因此可以得出解调仪的最小分辨率为11pm；粗略估算出来本解调器的线性区间即解调系统的静态范围为490pm，由此可知该系统的动态范围为32.98dB。3.2动态测量系统上电过程中，系统自动驱动FP腔边缘滤波

11、器进入跟踪状态，跟踪过程曲线如图4所示。图4在进入跟踪过程中，LF输出电压逐渐逼近跟踪基准电压，FP腔边缘滤波器驱动电压随传感FBG静态中心波长不同而变化。将电路调为闭环状态。采用Stanford双通道ModelSR650滤波器，示波器采用Tektronix TDS2024。实验激振器所用信号源频率大于100Hz。将传感FBG和应变片对称地贴在悬臂梁中线的两侧，确保悬臂梁受到激振时传感光栅和应变片承受等幅、同相的动态应变。系统带通滤波器带宽设置为100Hz5.0KHz，系统进入自动跟踪状态，在500Hz、800Hz、1000Hz，1200Hz、1500Hz激励频率下，给悬臂梁施加不同幅度的激励，记录动态电阻应变仪和自制光纤光栅解调仪的输出，归一化处理，再通过最小二乘法拟合，不同激励频率下的灵敏度如表1。表1解调仪几种激励频率下的归一化灵敏度在100Hz5.0KHz带宽内，电路输出本底噪声为100毫伏，所以分辨率可达到 0.007Hz。4 结论实验表明：该解调仪具有对中心波长为1295.5nm1307.5nm范围光纤光栅自动跟踪能力。适合传感FBG存在大幅度静态波长变化时，微幅度动态波长变化的检测。动态波长检测分辨率为0.007Hz。目前，该解调器用于光纤光栅水听器研制过程中。参考文献1 Yun-Jiang Rao, In-fiber Bragg Gra