一种高光纤Bragg光栅传感器解调方法分析

1、【Word版本下载可任意编辑】 一种高光纤Bragg光栅传感器解调方法分析 引 言 光纤Bragg光栅(FBG)传感器是以FBG作为敏感元件的功能型光纤传感器，有广泛的应用领域。当该传感器受温度、应变等外界参量的作用时，Bragg波长会发生相应的漂移，因此，研究FBG传感器的关键问题是如何测量FBG反射波长漂移量。传统上一般应用光谱仪解调系统，它体积大、不易携带、不利于现场使用。近年来出现的微型光谱仪体积小、价格便宜，但其光谱分辨力只在0.1 nm数量级，远远达不到FBG解调需要的pm级的分辨力。 为了提高Bragg波长漂移量的测量精度，提出了基于F-P可调谐滤波器和波长基准器，采用插值-相关

2、谱法的处理技术，即，首先在原始光谱中每相邻两点间线性插入一些点，再利用相关谱法得到Bragg波长漂移量。该方法不但可以有效抑制噪声，而且，能地测量Bragg波长漂移量，从而实现高精度地测量温度、应变等外界参量。 1 FBG传感器原理 根据Bragg衍射原理，当宽带光源发出的光入射到FBG中去，FBG将把以Bragg波长为中心的窄带光谱范围内的光反射回来。Bragg波长B由FBG的栅距A和有效折射率neff决定 因此，FBG可以被看作窄带滤波器，滤波器的中心波长就是Bragg波长。当FBG受到应变、温度等因素使FBG的栅距以或有效折射率neff产生变化时，被FBG反射的Bragg波长B亦产生相应

3、变化。由式(1)的微分得知，其Bragg波长的偏移量为 从而实现了待测量对反射信号光的波长编码调制。因此，通过实时监测反射波长的偏移量，再根据nff，与待测量之间的线性关系，即可获得待测物理量的变化。 2 插值-相关谱法原理 相关谱法基于以下特征：在很多FBG传感系统中，FBG光谱只有光功率的起伏以及光谱的总体漂移，光谱的形状总是保持不变，类似于高斯分布。这个特性预示着一种可能性，即Bragg波长的漂移可以通过比较原始频谱和漂移后频谱的相似性来获得。这种相似性可以用互相关函数来表示。以下先给出频谱相关法的理论分析。 根据数字信号处理的理论，设2个光谱经光电转换采样后分别为X(i)和Y(i)(i

4、=1，2，3，N，表示波长)，二者互相关运算定义为 式中j为加在x上的波长漂移。波长下标超出范围的频谱视为零。根据互相关的性质，R(j)在x(i-j)和Y(i)重叠得多，相似的时候得到值。因为每个FBG反射回来的光谱都类似于高斯分布，所以，只要先采集一个基准谱，然后，与实测谱开展互相关运算，求得互相关值时所对应的j值，就可以得到实测谱的漂移，也就得到了Bragg波长的漂移。 可见采用相关谱法是可行的，且重要的是此方法与传统的峰值检测法相比，具有高精度的特点。峰值检测法是计算原始反射谱中的值，而频谱相关法则是通过相关计算，改为计算一系列对应不同漂移值的相关值中的值。计算每个相关值时都对许多光谱值

5、做了相加运算，这会按相加数N的平方根的规律有效抑制实际原始光谱中的噪声，从而提高波长测量精度。由以下推导可以看出： 在分析前，假设n1和n2是相互独立的噪声，它们都服从高斯分布。定义信噪比SNR为信号的均方根除以噪声的均方根，设原信号Xn(i)，Yn(j)，的信噪比均为SNR0，根据高斯分布的独立性，式(6)的信噪比为 由上式可见，随着N的不断增加，相对于原信号信噪比来说，经过相关谱法后的信噪比在不断增加(理论上是这样，实际中后面实验说明)，所以，原始光谱中的噪声引起的测量误差就可以被抑制。 为了降低系统硬件实现难度，保证解调速度，使波长测量精度进一步提高，本文还结合了线性插值的方法，整个的工

6、作过程就是先在原始的光谱中每相邻两点问线性插入一些点，再利用相关谱法得到Bragg波长漂移。采用线性插值的目的就是为了使原始光谱更加相似于漂移后的光谱，从而在相关谱法中更能地确定波长漂移量。 3 实验结果 解调系统装置如图1，采用中心波长为1 550 nm的发光二极管(LED)，谱宽为30 nm，LED发出的光经过3 dB耦合器后进入FBG，FBG反射回的光再次经过这个3 dB耦合器后进入F-P可调谐滤波器(FOOL2上型)，再经光电转换、放大、D/A转换器进入数字信号处理器(DSP)实现插值-相关谱法解调(FBG0是固定波长的参考FBG，这个波长基准器可以消除可调谐F-P滤波器腔长漂移对测量

7、精度的影响)。 3.1 插值-相关谱法与峰值法比较实验 对FBG1和FBG2的反射谱连续测量10次，FBG1和FBG2自由放置，温度保持不变，所以，理论上各次的结果应该相同，但实际中存在微小的差异。图2是在1 5521 557nm范围内，采样800点，FBG2在3种不同情况下的测量值(FBG1与FBG2类似)。 图2中，a是用传统的直接求峰值的方法，其标准差为0.042 41 nm ;b是在没插值的情况下用相关谱法，其标准差为0 nm;c是采用插值-谱相关法(每相邻点间线性插值8点)，其标准差为0.002 14 nm。表面看上去，好似b，但它实际上是由于每相邻点之间的间隔太大，以至于当Brag

8、g波长在的区间时，就不能清楚的分开它们，终，将它们看作同一个值。先插入一定的数据，提高分辨力后就使得原始光谱更加相似于漂移后的光谱，再运用相关谱法，就可以获得的效果。 为了研究插值-相关谱法中，在一定的条件下，插入多少点波长分辨力的问题，在上面的实验系统中，将每相邻点之间的插值点数从2增加到17，得到如下表1。 从表1可以看出：实际中采用插值-相关谱法测量Bragg波长漂移，其波长分辨力不是随着插值点的增加而不断大幅度增加。本系统当相邻两点插值点增加到12点时，分辨力可到达1 pm，如继续增加，将无法进一步改善。 3.2 温度传感实验 每次以10的步长逐步对FBG开展加温，插值-相关谱法测得Bragg波长变化和温度之间的关系如图3。 从图3中可得到测量结果和线性拟合之间的误差(均方根误差)为1.18pm。 4 结论 通过理论分析和实验说明：采用相关谱法