光纖光柵傳感系統解調方法概述

趙亞麗

(1.承德石油高等?？茖W校 工業技術中心，河北　承德　067000；2.河北省儀器儀表工程技術研究中心,河北　承德　067000)

光纖光柵傳感器是近年來迅速發展的光纖器件，其實質上是一種波長調制型傳感器，其機理為通過外界參量對光纖光柵諧振波長的調制來獲得傳感信息。傳感信號的解調是光纖光柵系統中最為重要的環節，解調系統的優劣直接關系到整個傳感系統的穩定性和精確性[1,2]，因此快速準確地檢測光纖布拉格波長的微小變化，即對波長編碼的信號解調成為光纖光柵傳感器應用研究的重點問題。

光纖光柵傳感信號的解調方式有強度解調、相位解調和波長解調等，這些方案各有所長，適用于不同傳感系統的需求，其中波長解調具有中心波長處窄帶反射，不必對光纖連接器和耦合器損耗以及光源輸出功率起伏進行補償等優點，得到了廣泛應用[3]。闡述了各種光纖光柵解調方案和原理以及特點，以期為光纖光柵傳感器的工業應用提供參考。

1　常用光纖光柵解調方法

波長解調技術的實質是對傳感光柵的反射譜進行實時監測，分析出波長編碼，為了在各種應用中能準確地解調出傳感信號，通常將波長變化量轉化為強度變化量和相位變化量，解調方法按工作原理可分為干涉法、色散法、衍射法、濾波法等幾大類。

1.1　干涉法

干涉解調是將光纖光柵波長偏移量轉化為相位變化來檢測被測波長，主要包括Michelson干涉法、M-Z干涉儀法和Sagnac干涉儀法。

1.1.1Michelson干涉解調法

Michelson干涉解調法的基本原理是Michelson干涉原理，傳感光柵的反射光經耦合器進入受壓電陶瓷控制的Michelson干涉儀，被干涉臂末端的反射鏡反射回耦合器處匯合發生干涉，調節壓電陶瓷控制參數使兩路信號頻率一致，再通過信號處理即可得到被測波長值，結構如圖1所示[4]。這種結構的解調方案能進行靜態和動態測量，精度較高、體積小、測量速度也比較快但是受環境影響也比較大。

1.1.2非平衡 Mach-Zehnder干涉法

非平衡Mach-Zehnder干涉法的基本原理是通過干涉儀將光柵波長偏移量轉化為兩束光的相位變差化：ΔΦ(λ)=-2πndΔλλ2，通過檢測干涉儀的相位輸出信號就可以得到光柵的波長變化信息，其結構如圖2所示[5]。這種解調方式分辨率高，但卻受環境影響較大，不適用于靜態測量。

1.1.3Sagnac干涉儀法

2001年，高雙折射光纖環境首先被韓國國立大學用于光纖光柵解調領域，其工作原理是利用Sagnac效應構成干涉儀，光被傳感光柵反射后經耦合器分成兩束大小相等但方向相反的光在光纖環中傳播，然后再耦合器處發生干涉，產生與波長相關的相位差，從而實現波長解調，這種解調方法的分辨率和穩定性都不錯[6]。2010年，王葵如等在此基礎上提出了利用光纖偏振分束器和保偏光纖構成干涉解調，簡化了解調結構，其波長分辨率和測量精度均達到了1 pm以下，而且還減小了環境對干涉解調方案的影響見圖3。

1.2　色散法

色散解調法由Askins C G等人于1995年提出，其工作原理是不同波長的光經傳感色散光柵衍射后形成不同的衍射角，再由電荷耦合器CCD接收，則耦合位置會隨波長偏移量的變化而線性變化。2016李政穎等人提出利用普通單模光纖和色散補償光纖的正負色散特性實現全光纖解調結構[7]，其原理如圖4所示，其特點是速度快、精度高，適于分布式傳感系統的高速測量，但是系統的波長分辨力受多個因素的影響。

1.3　衍射法

2011年馮忠偉等人提出的基于衍射光柵的光纖光柵傳感器解調系統結構如圖5所示[8]，寬帶光源發出的光經傳感光柵反射后射到準直鏡上形成平行光，再經過兩塊衍射光柵后按一定角度展開并被柱面反射鏡匯聚在線陣探測器上，形成高斯型的空間光強分布，再結合高斯多項式擬合即可得到被測波長這種結構的波長解調精度較高和穩定性也不錯，但是同樣對光波分辨率的影響因素比較多，易受溫度影響，不利于應用。

1.4　濾波解調法

濾波法又可細分為邊緣濾波法、可調諧濾波器法、可調諧波長光源法。

1.4.1邊緣濾波解調方法

邊緣濾波解調法是利用某些濾波器輸出光強的變化量與波長漂移量成正比的特性來對光纖光柵傳感器進行解調的。將從傳感光柵反射回的包含波長調制信息的光信號分成兩束分別送到兩個不平衡的濾波器中，經濾波器后兩光強相除即可得波長移位信息。可用作邊緣濾波器的光學器件有很多，常用的有體濾波器、波分復用器、長周期光纖光柵、非對稱可調諧F-P濾波器、陣列波導光柵等。

最初的邊緣濾波器是1992年Melle提出的采用體濾波器作為線性邊緣解調元件，成本較低，有較好的線性輸出，但受體積光學濾波元件的影響，分辨率低，穩定性差。1994年Davis和Kersey用WDM替換體濾波器，提供了一種全光纖傳感解調系統，提高了系統的分辨率，但WDM具有偏振性，為此2005年，田珂珂在基于WDM的邊緣濾波解調系統的基礎上增加了一個偏振控制器，用于控制輸入光的偏振狀態，有效地提高了系統的解調精度，改系統的波長分辨率為0.01 nm，波長解調范圍為10 nm。

2006年武漢理工大學的范典等人提出了使用兩個濾波器的雙邊緣濾波法，其系統裝置如圖6所示。當載有傳感信息的FBG反射波長通過光分路器進入2個濾波器時，理論上輸出光譜等于輸入光譜和所通過信道特征的卷積，用光電二極管檢測出光強，再經過除法器和對數器可得一個函數，根據理論分析可確定和的線性關系，通過后期的數據處理即可得到所需波長值。

承德石油高等?？茖W校楊洋等人指出雙邊緣解調系統將雙輸出信號的差與信號的和的比值作為波長調制函數，有效減小了光源波動和光纖鏈路對光信號強度的影響，實現了波長靈敏度和波長測量的動態范圍同步增大，有效提高了系統的測量精度[9]。2016年楊洋等人還提出了利用密集波分復用器(DWDM)作為解調核心元件的光纖光柵解調系統，其結構如圖7所示，其基本原理是傳感光柵的反射光經DWDM后出射光形成高斯分布包絡曲線，再經高斯多項式尋峰算法即可得到被測波長[10]。這種解調方式為全光纖解調結構，不需要電信號，結構簡單且不需要溫補，適合于多種場合，但是引用誤差略大。

以上方法多用于單點光纖光柵的邊緣解調，對于分布式光纖光柵的邊緣解調，可采用陣列波導光柵。其原理是陣列波導光柵相鄰通道強度比值對數與光纖布拉格波長在高斯近似下呈線性關系，系統波長靈敏度有陣列波導光柵信道間隔、FWHM(半高全寬)和光纖光柵的FWHM共同決定。2008年黃景堂等人提出了一種基于陣列波導光柵雙通道強度解調技術的準分布式光纖布拉格光柵高精度的傳感器，系統結構如圖8 所示，其波長和溫度的標準偏差分別為2 pm和0.2℃。

1.4.2匹配光纖光柵法

匹配光纖光柵濾波解調法既適用于單點匹配解調，又適用于分布式光柵傳感系統，分為反射型和透射型兩種，透射型的工作原理是各匹配光柵由不同的PZT進行獨立的波長調諧，串聯成濾波光柵陣列，信號進入該陣列后由同一個探測器接收透射光，依次對各匹配光柵進行單獨調諧，此方法比反射式系統有更高的光利用率，分辨率可達0.1με，但使用多個PZT跟蹤控制較復雜，線性誤差較大，且存在雙值問題，為此，2004年詹亞歌等人提出了用并聯匹配光柵的方式增大了測量范圍，其結構如圖9所示，優化了測量結果，并且消除了雙值問題，但這種方法響應速度有限，只適用于測量靜態或低頻變化的物理量[11]。

1.4.3可調諧濾波器法

利用掃描光濾波器，如聲光可調諧濾波器(AOTF)、可調諧Fabry-Perot、可調諧Bragg光柵濾波器、光纖梳狀濾波器等，可跟蹤傳感光柵的變化。

1993年Xu等人建立了一個基于可調諧聲光濾波器的解調系統，在實際應用中，通過對RF頻率抖動和探測到的信號幅度調制狀況給出一個反饋信號，可以使濾波器的平均波長值鎖定FBG的瞬時波長值，當兩個數值一樣時，幅度調制為0，由具有低頻方波信號的VCO疊加一個直流分量信號來調制平均頻率，這也是調制信號產生的方法，這種系統所使用的濾波器帶寬一般為幾個納米，所以分辨率不高。但是Dunphy等人利用帶寬為0.2 nm和工作波長范圍約為120 nm的聲光濾波器得到了小于1 pm的高分辨率，但是這種系統的穩定性較差。

可調諧F-P濾波法由A.D.Kersey等人與1993年提出，對單個光柵采用閉環模式，對于復用光柵采用掃描模式，各傳感光柵的反射光經耦合器送到工作在掃描狀態的可調諧F-P 濾波器中。鋸齒波掃描電壓調節濾波器中的壓電元件，調節濾波器腔長使其窄線寬通帶在一定范圍內掃描，當濾波器的透射波長與傳感光柵的Bragg波長相匹配時，允許傳感光柵的反射光通過，根據F-P濾波器的驅動電壓與透射波長的關系來缺點FBG反射峰位置。參考光柵的設置可以消除溫度對F-P腔長漂移的影響。

可調諧濾波器的優點是工作范圍大，測量精度高，可大大提高FBG的復用個數，缺點是光纖端面的反射層和兩個端面的對準要求較高測量重復性較差，濾波損耗較大，成本較高。為此，有研究人員于2013年提出了另一種可調光纖F-P腔解調法。在寬帶光源輸出的寬帶光經過光纖F-P腔后再入射到傳感光柵中，光纖光柵反射回來的信號譜再經環形器進入光電探測器。這類方法中寬帶光源和可調諧光纖Fabry-Perot濾波器的組合具有類似窄線寬可調激光器的功能，雖然相比可調準帶光源法精度有所降低，但是解調速度明顯提高，而且成本也降低了[12]。

為了提高解調精度和解調速度，有人提出了一種基于光纖梳狀濾波器的波長解調系統[13]，如圖10所示，其原理與可調F-P濾波法的原理類似，只是提供參考點的不再是參考光柵陣列而是光纖梳狀濾波器，從而有更多的參考點對光纖光柵Bragg中心波長進行標定，選取適當的算法，就可以大大提高波長解調精度，采用拉格朗日及牛頓插值算法都達到了±1～±5 pm，波長的均方誤差小于4 pm。

1.4.4可調諧波長光源法

可調諧波長光源法的原理是用可調諧窄帶激光器代替寬帶光源，窄帶可調諧光輸入光纖光柵，并周期性地掃描其輸出波長以獲取光纖光柵的反射譜，由每次掃描反射光最強時的掃描電壓可得相應的波長值。

這種方法可以獲得很高的信噪比和分辨率，但這種光源價格較高且掃描速度慢。2006年，南開大學提出了一種將可調諧F-P窄帶濾波器作為核心解調器件，同時利用H13CN氣體的吸收光譜作為標準波長對系統進行校正的光纖光柵傳感系統，這個系統在1550 nm波段的波長測量范圍達40 nm，波長測量精度為1.3 pm。

2009年3月武漢理工大學的研究人員提出用寬帶光源和波長選擇器(IPD)構成可調諧窄帶光源來代替價格昂貴的窄帶激光器[11]，其系統結構如圖11所示，該系統通過動態掃描，實現多通道分布式解調，不僅降低了光濾波處理器件的成本，同時又保證了系統較高的性能指標，其測量范圍可達30 nm，波長分辨率達到1 pm，測量精度為±5 pm，掃描頻率為1 Hz。

總體而言，這幾種濾波解調方法都有其優缺點，對照見表1。

表1　濾波解調方法優缺點對照表

2　結論

現有的光纖光柵解調產品由于價格昂貴、體積大，很難廣泛應用，因此光纖光柵傳感器實用化的關鍵是降低成本，提高精度，開發微型化、模塊化、適合工程實際應用的傳感解調系統。本文根據解調原理將現有的解調方法分為：干涉法、色散法、衍射法和濾波法，并重點分析了濾波解調法。在簡單對比分析了各種方法的工作原理和優缺點后，認為理想的解調方法一般應達到以下幾點要求：

1)受環境影響下，測量范圍大，分辨率高；2)結構精簡，成本低；3)復用性好，能進行分布式檢測。4)能做到實時監測和數據遠距離傳輸。然而，到目前為止，還沒有一種解調系統能同時滿足這些條件，因此，廣大研究人員仍需努力研究出一種既能滿足高分辨率、動、靜結合又能多點復用且成本較低的解調方案。

參考文獻：

[1]張淑芳.光纖光柵傳感器解調技術研究[D]:碩士學位論文.河南大學,2013.5.

[2]趙亞麗. 基于DWDM與MATLAB的光纖光柵壓力傳感解調系統的研究[J].承德石油高等?？茖W校學報,2016.06:54-56.

[3]李川,張以謨,趙永貴，等.光纖光柵原理技術與傳感應用[M].北京:科學出版社,2005.10.

[4]陳清海,林玉池,王為等.基于Michelson干涉解調技術的光纖光柵傳感系統[J].光電子技術:2006.3:45-47.

[5]李麗,林玉池,王為，等.光纖光柵非平衡M-Z干涉解調技術研究[J].壓電與聲光,2008:16-19.

[6]吳晶,吳晗平,黃俊斌，等.光纖光柵傳感信號解調技術研究進展[J].中國光纖,2014.8:519-531.

[7]李政穎,周磊,孫文豐，等.基于色散效應的光纖光柵高速高精度解調方法研究[J].物理學報,2017.1:014206-1-9.

[8]馮忠偉,張力,何彥璋，等.基于衍射光柵的光纖光柵傳感器解調系統研究[J].計測技術,2011.4:16-18.

[9]楊洋,蔡謀全,劉兵.光纖光柵壓力傳感器中雙邊緣解調技術的理論與實驗研究[J].儀表技術與傳感器,2008.9:11-14.

[10]楊洋,劉兵,趙勇，等.DWDM 技術在新型波長解調方法中的應用[J].紅外與激光工程,2016.8:0822007-1-7.

[11]詹亞歌,陸青,向世清，等.優化光纖光柵傳感器匹配光柵解調方法的研究[J].光子學報,2004.6:711-714.

[12]蔡江江.基于可光纖布拉格光柵解調系統和傳感新方法的研究[D]:碩士學位論文.南京大學,2013.5.

[13]高璇,黃俊斌,顧宏燦，等.基于光纖梳狀濾波器的光纖Bragg光柵波長解調技術研究[J].艦船科學技術,2008.3:30(122-126).

[14]甘維兵,張翠,祁耀斌.基于可調窄帶光源的光纖光柵解調系統[J].武漢理工大學學報,2009.3:118-120.