光纖光柵的解調(diào)技術(shù)

1、光纖光柵的解調(diào)技術(shù)第一頁，共20頁。光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng) 第二頁，共20頁。波長移動檢測方案由上述可知，光纖光柵傳感器的關(guān)鍵技術(shù)是測量其波長的移測量其波長的移動動。通常測量光波長都是用光譜分析儀通常測量光波長都是用光譜分析儀，包括單色儀和傅立葉變換光譜儀等。它的波長測量范圍寬，分辨率高，能測量出微小的應(yīng)變量，用于分布式測量也極為簡便，但它體積大，價格昂貴，一般都用于實(shí)驗(yàn)室中，不宜實(shí)際現(xiàn)場使用。在實(shí)際應(yīng)用中，還必須利用光纖光柵的優(yōu)良特性，研發(fā)高靈敏度、光能利用率高、穩(wěn)定性好、性價比高的新型傳感解調(diào)系統(tǒng)取代實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室中的光譜分析儀，以用于工程結(jié)構(gòu)的現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)測與監(jiān)控場實(shí)測與監(jiān)控。 目前比較典型的主

2、要有以下幾種波長移動檢測方案以下幾種波長移動檢測方案：光譜儀和多波長計(jì)檢測法，邊緣濾波檢測法，可調(diào)諧濾波檢測法，匹配光柵檢測法，波長可調(diào)諧光源解調(diào)法，CCD分光儀檢測法，非平衡M-Z干涉儀檢測法等。 第三頁，共20頁。1.光譜儀和多波長計(jì)檢測法在光纖光柵傳感系統(tǒng)中，對波長移位最直接的檢測方法是：利用寬帶光源寬帶光源（如發(fā)光二極管LED），輸入光纖光柵，再用光譜儀（或多波長計(jì)）檢測輸出光的中心波長移位，如圖2。該法結(jié)構(gòu)簡單，具有可攜帶性、經(jīng)久耐用且易于使用和自動測試等特點(diǎn)，常用于實(shí)驗(yàn)室。 第四頁，共20頁。光譜分析儀原理光譜分析儀是檢測光波光譜的儀器光譜分析儀是檢測光波光譜的儀器，其工作原理如圖

3、。在光譜儀中，通過調(diào)節(jié)衍射光柵的角度調(diào)節(jié)衍射光柵的角度，使衍射光柵分離出不同的波長，分離出來的特定光波由反射鏡聚焦到光闌孔/探測器；旋轉(zhuǎn)衍射光柵可對波長范圍旋轉(zhuǎn)衍射光柵可對波長范圍進(jìn)行掃描進(jìn)行掃描。使用光譜儀進(jìn)行測量，在光功率、信噪比、信道增益方面能夠得到較為理想的結(jié)果，對波長進(jìn)行測量，分辨率分辨率可達(dá)0.001nm，基本可滿足對光柵Bragg波長移位量的分辨。第五頁，共20頁。多波長計(jì)原理若需要更精確的波長測量，可選用多波長計(jì)多波長計(jì)，其工作原理參見圖。在多波長計(jì)中，利用光波的干涉效應(yīng)將同相位的光信號加強(qiáng)的原理來對利用光波的干涉效應(yīng)將同相位的光信號加強(qiáng)的原理來對不用的光波進(jìn)行區(qū)分不用的光波進(jìn)

4、行區(qū)分。從光纖來的光信號在通過分束鏡后，一部分由于反射到固定反射鏡，然后返回；另一部分透射到可移動的反射鏡，然后返回，這兩束同源但不同路徑的光束，在重新匯合時，某些特定波長的光信號將由于同相位而產(chǎn)生干涉、光強(qiáng)增加，被探測器捕獲。對可移動反射鏡進(jìn)行微調(diào)，可改變兩光束的光程差，以此來可改變兩光束的光程差，以此來選擇對不用光波的掃描選擇對不用光波的掃描。多波長計(jì)對波長的測試非常精確，分辨率可達(dá)0.0004nm，能看到系統(tǒng)的噪聲平臺，但在功率測量方面不如光譜分析儀。 第六頁，共20頁。2.邊緣濾波器檢測法 基于邊緣濾波器的線性解調(diào)原理如圖所示，這種邊緣濾波器輸出光強(qiáng)的變化輸出光強(qiáng)的變化量與波長漂移量成

5、正比量與波長漂移量成正比，該濾波函數(shù)可表示為 （1）將從傳感光柵反射回的、包含波長移位調(diào)制的光信號分成兩束，分別送到兩個不平衡的濾波器中，經(jīng)濾波器后兩光強(qiáng)相除，其結(jié)果就包含波長移位的信息 0( )()FA第七頁，共20頁。邊緣濾波線性解調(diào)系統(tǒng)原理 第八頁，共20頁。從光纖Bragg光柵返回的光均勻分為兩束，一束直接送入探測器作為參考信號；另一束則通過濾波函數(shù)為式（1）的線性濾波器，再送入探測器，反射光是譜寬為的Gaussian分布，則接收到的光強(qiáng)分別為式中 Is信號光強(qiáng)； IR參考光強(qiáng)；R 光纖的反射率；A 線性濾波器的比例系數(shù)。由式可見，和直接測量值呈線性關(guān)系，由此可求出動態(tài)的值。 這種檢測

6、方法基于光強(qiáng)檢測基于光強(qiáng)檢測，適用于動態(tài)、靜態(tài)測量，具有較好的線性輸出，測量范圍與探測器的分辨率成正比。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于采用了較好的補(bǔ)償措施，能夠有效地抑制光源輸出功率的起伏、連接干擾和微彎干擾等不利因素，且系統(tǒng)反應(yīng)迅速，成本較低，使用方便，在幾個m測量范圍內(nèi)，該系統(tǒng)具有幾十個的分辨率。 012RII R001()2SBII RA0()SBRIAI第九頁，共20頁。光纖光柵激光器 實(shí)現(xiàn)傳感 此外，鑒于線性邊緣濾波檢測方案中，光電探測器輸輸出的信號電平非常低，信噪比低出的信號電平非常低，信噪比低，會降低系統(tǒng)的測量分辨率，壓縮測量的動態(tài)范圍，又提出了一種光纖光柵光纖光柵激光傳感器激光傳感器，如圖所

7、示。 第十頁，共20頁。 該傳感器由一個980/1550nm的波分復(fù)用器波分復(fù)用器和一段1.5m摻鉺光纖和光纖光柵構(gòu)成一只光纖激光器。摻鉺光纖一端拋光渡銀，制成全反射鏡，與光纖光柵一起構(gòu)成光纖激光器的選頻諧振腔選頻諧振腔。由980nm的摻鈦藍(lán)寶石激光器作泵泵浦浦，光纖激光器的工作波長由光纖光柵確定。圖右下方是摻鉺光纖激光器的熒光譜圖熒光譜圖，激勵功率達(dá)到閾值功率閾值功率（約2.7mW）時，開始出現(xiàn)激光，增至4.9mW時，輸出純純激光激光。軸向應(yīng)力作用于光纖光柵，相應(yīng)改變激光器的輸出波長，同時激光器可以輸出足夠強(qiáng)的光功率。再將激光器的輸出光送入線性比例探測器去解調(diào)，即可測量出光纖光柵的波長移動。

8、這一方案提高了測量信噪比，提高了測量信噪比，可達(dá)到的應(yīng)變測量分辨率為5.5。 第十一頁，共20頁。3.可調(diào)諧濾波檢測法 （1）可調(diào)諧波長的光纖F a b r y-P e r o t濾波器 可調(diào)諧光纖F a b r y-P e r o t濾波器（FFP）已廣泛應(yīng)用于傳感光柵的信號解調(diào)，其中，該濾波器可由L o r e n t z譜線形狀的帶通響應(yīng)描述，典型的帶寬為0.3nm，工作范圍為幾十個納米，受限于由兩平面鏡距離所決定的共振之間的自由光譜區(qū)自由光譜區(qū)（FSR）。 通過壓電陶瓷壓電陶瓷（PZ）精確移動平面鏡的間距，可改變F a b r y-P e r o t腔的的腔長腔長，從而實(shí)現(xiàn)濾波器的調(diào)諧

9、實(shí)現(xiàn)濾波器的調(diào)諧，參見下圖。當(dāng)前，可調(diào)諧FPF的掃描頻率可達(dá)1kHz。該濾波器有兩種工作形式：可檢測單個光柵的跟蹤（閉環(huán)）模式；可檢測多個光柵的掃描模式。為保證光纖光柵的反射信號總能被FFP檢測，F(xiàn)FP的自由光譜區(qū)應(yīng)大于光纖光柵的工作譜區(qū)。 第十二頁，共20頁?？烧{(diào)諧波長的光纖F a b r y-Perot濾波器檢測單個傳感光柵的跟蹤模式 第十三頁，共20頁。（2）聲光可調(diào)諧濾波器聲聲-光可調(diào)諧濾波器光可調(diào)諧濾波器（AOTF）是一種由射頻（RF）驅(qū)動頻率可調(diào)諧的固態(tài)光濾波器，其中，AOTF的波長調(diào)諧范圍可寬至幾個毫米，時間響應(yīng)可小于5kHz，并具有窄的光譜帶寬。該器件可工作于多種模式，如分光計(jì)

10、、顫動濾波器和跟蹤濾波器等。若提供覆蓋整個工作范圍的寬帶光源或光源組，AOTF可應(yīng)用于大規(guī)模光纖Bragg光柵陣列的波長復(fù)用。利用AOTF中不同頻率的多射頻信號，原理上可實(shí)現(xiàn)多光柵的并行檢測。聲光可調(diào)諧濾波器有兩種工作模式，即掃描模式和鎖定模式掃描模式和鎖定模式。在掃描模式中，AOTF受電壓控制振蕩器（VCO）在傳感波長范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，來自光柵的功率被記錄下來；在鎖定模式中，檢測系統(tǒng)采用反饋環(huán)來跟蹤特定的光柵波長，如圖。頻率偏離與濾波傳輸、光柵反射率和強(qiáng)度噪聲無關(guān)。該技術(shù)可跟蹤多光柵的波長，工作于傳輸和反射結(jié)構(gòu)。 第十四頁，共20頁。聲-光可調(diào)諧濾波器檢測傳感光柵的原理 第十五頁，共20頁。4匹

11、配光柵檢測法 在檢測端設(shè)置一參考光柵參考光柵，其光柵常數(shù)與傳感光柵相同光柵常數(shù)與傳感光柵相同。參考光柵貼于一壓電陶瓷片（PZT）上，PZT由一外加掃描電壓控制，如圖 。當(dāng)傳感光柵處于自由態(tài)自由態(tài)時，參考光柵的反射光最強(qiáng)，光探測器輸出信號幅度最高。這時控制掃描信號發(fā)生器使之固定輸出為零電平，當(dāng)傳感光柵感應(yīng)外界溫度和應(yīng)變時，發(fā)生移位，使參考光柵的反射光強(qiáng)下降，信號發(fā)生器工作，使參考光柵的輸出重新達(dá)到原有值，這時的掃描電壓對應(yīng)一定的外掃描電壓對應(yīng)一定的外界物理量界物理量。第十六頁，共20頁。匹配光柵檢測的優(yōu)點(diǎn)匹配光柵檢測的優(yōu)點(diǎn)是：消除了雙折射所引起的隨機(jī)噪聲，即對光纖內(nèi)光的偏振、相位等易變量都不敏感

12、，而且對最終檢測的反射光強(qiáng)也無絕對要求，所以各類強(qiáng)度噪聲都不會對輸出結(jié)果有影響。但該方案的不足之處不足之處則是：系統(tǒng)的光損耗較大；系統(tǒng)的檢測靈敏度由PZT的位移靈敏度決定，和光纖光柵的高靈敏度不匹配；PZT的非線性會影響輸出結(jié)果；PZT的響應(yīng)速度有限，使這種方法只適合于測量靜態(tài)或低頻變化的物理量。匹配光柵檢測法對多個參考光柵進(jìn)行波長掃描可構(gòu)成波分復(fù)用波分復(fù)用光纖傳感網(wǎng)光纖傳感網(wǎng)。傳感光柵的Bragg波長移位由閉合控制系統(tǒng)自動跟蹤，可檢測的最小應(yīng)變?yōu)?.12。當(dāng)光柵帶寬窄到0.05nm時，應(yīng)變的最小分辨率改進(jìn)為1；但是，如前所述，光柵的帶寬光柵的帶寬變窄，反射回來的信號也會減弱變窄，反射回來的信

13、號也會減弱。 第十七頁，共20頁。5波長可調(diào)諧光源解調(diào)法 可調(diào)諧窄帶光源的調(diào)諧原理是窄帶可調(diào)諧光輸入光纖光柵，并周期性地掃描其輸出波掃描其輸出波長以獲取光纖光柵的長以獲取光纖光柵的反射譜反射譜（或透射譜），由每次掃描反射光最強(qiáng)最強(qiáng)時的掃描電壓時的掃描電壓可知相應(yīng)的波長值。 第十八頁，共20頁。如上圖所示為一種高精度的連續(xù)可調(diào)諧摻餌光纖激光器檢測位于1550nm波段的傳感光柵。該檢測系統(tǒng)受限于激光器2.3nm的波長調(diào)諧范圍，可檢測的最大溫度為180；檢測精度受限于PZT的精度，即2.3pm或0.18。該方案最大的優(yōu)點(diǎn)在于使用光纖激光器可以獲得比寬帶光源高得多的信信噪比噪比（SNR），并且獲得了2.3pm的高分辨率高分辨率；不足之處在于高精度的PZT調(diào)諧器價格通常昂貴調(diào)諧器價格通常昂貴，其調(diào)諧范圍有限調(diào)諧范圍有限。并且，檢測速度受PZT響應(yīng)時間和控制回