一種超弱光纖光柵的模塊化解調系統

羅志會，魯 博，向 昊，楊 震，徐 冰

(1.三峽大學 湖北省弱磁探測工程技術研究中心， 宜昌 443002； 2.三峽大學 理學院， 宜昌 443002)

0 引 言

光纖光柵傳感器(Fiber Bragg grating, FBG)具有精度高、復用性好、輕便、耐腐蝕和抗電磁干擾等優點，被廣泛應用于土木工程和結構健康監測。超弱光纖光柵傳感器(Ultra-weak fiber Bragg grating, UW-FBG)是對反射率低于0.1%光柵傳感器的統稱。由于UW-FBG具有極低的反射率，所有光柵點反射的光功率幾乎沒有差別，從而允許在一根光纖上可以同波長復用大量的UW-FBG傳感器，為大容量光柵傳感網絡的構建提供了可能[1]。

與傳統的FBG類似，UW-FBG也是通過檢測布拉格波長的變化來感測外界物理量的變化。數千個UW-FBGs分布在一根光纖上，實現對UW-FBGs的定位和信號解調，成為UW-FBG傳感網絡的研究熱點[2-3]。2012年，弗吉尼亞理工大學Wang等提出了采用波長掃描和時域定位的解調方法構建UW-FBG解調系統，開展了1 000個UW-FBG傳感網絡的實驗[4]。2017年，Han等使用窄帶濾波器(Newport OSP-9100)將波長偏移量測量轉換為簡單的光強度測量，從而實現了高速高分辨率的分布式光柵傳感[5]。2019年，Liang等提出了一種基于波長-頻率變換的UW-FBG高速高精度的解調方法，解調精度為6.96 pm[6]。2020年，Li等提出了一種混合超寬帶光纖光柵陣列，實現了對溫度信號和振動信號的同時監測[7]。2021年，Gao等設計了新型的UW-FBG陣列，實現了距離為10 km、光柵間隔為1 m的單波長光柵解調[8]。2022年，López等提出了多點光纖傳感器的雙波長詢問技術，實現了光譜通道與光纖傳感器的多種復用[9]。此外，UW-FBG的應用研究也在不斷拓展。2019年，Gan等基于UW-FBG技術實現了對地面入侵事件的結構振動解調[10]。2020年，陶鑫等使用弱光柵陣列構建了低成本大長周界安防系統[11]。2021年，Liu等采用UW-FBGs構建了UW-FBG傳感網絡，實現了地下的垂直應變監測[12]。2022年，張曉飛等構建了基于弱光柵陣列的滑坡實時監測系統，實現了滑坡的定位與位移監測[13]。近年來，關于UW-FBG的理論研究日益成熟，在監測領域具有較大的應用潛力。

低功耗和小型化解調系統的開發是UW-FBG技術推廣應用的關鍵。近年來，弗吉尼亞理工大學Wang團隊、武漢理工大學李政穎團隊和三峽大學羅志會團隊[14-17]開展了對UW-FBG解調系統的產品化研究，采用底層高速數據采集與 X86計算機信號處理結合的方案，推出了機架式UW-FBG分析系統。但系統的體積大、解調速度慢，整機功耗在60 W以上，且連接線纜多、故障率高，很難滿足野外監測和系統深度集成的需要。因此，開發低功耗和小型化UW-FBG解調系統已成為行業的迫切需求。

本文提出了一種模塊化的UW-FBG解調系統，對該系統的工作原理進行分析，引入嵌入式電路，在硬件底層完成信號采集、處理和通信等工作，實時解調UW-FBGs的位置和波長信息。開發了小體積且高集成度的超弱光纖光柵解調系統，避免海量數據上傳和X86計算機處理，在系統功耗、解調速度和傳感器容量方面取得進展，可為大容量傳感網絡提供理想的解決方案。

1 工作原理

超弱光纖光柵解調系統包括解調模塊和傳感光柵陣列兩部分，如圖1所示。解調模塊主要由激光脈沖發生單元、光學線路單元、信號處理及控制單元3個部分組成，激光脈沖發生單元包括掃描激光器(波長1 528～1 568 nm)、半導體光放大器(Semiconductor optical amplifier, SOA)、摻鉺光纖放大器(Erbium doped fiber application amplifier, EDFA)，用于產生可變波長的光脈沖；光學線路單元由環形器、4通道光開關和光探測器構成，完成光通道選擇和光電轉換。信號處理及控制單元以賽靈思ZYNQ 7020 為核心構建，集成有ARM 處理器(Advanced RISC machine, ARM)和現場可編程門陣列(Field programmable gate array, FPGA)電路[18]，可完成人機交互、初始化配置、數據采集和處理。

系統初始化時，信號處理及控制單元給激光脈沖發生單元下發指令，掃描激光器會發射連續的激光，經過SOA調制和EDFA放大處理后，進入光環行器和指定的光通道，耦合進入UW-FBGs。UW-FBGs的反射光經過環形器反射后在光探測器完成光電轉換。FPGA控制A/D轉換電路完成高速數據采集和分析處理，鎖定UW-FBGs的位置。系統測試時，FPGA根據事先確定的光柵位置，實時計算各個UW-FBG的波長變化。ARM保存計算結果，并通過USB或Ethernet發送給上位機。傳感光柵陣列主要采用G.652D預制棒在拉絲塔上在線制備，允許光柵波長時分/波分復用，采用單層強化涂敷，去除傳統光纖的滑移層，具有抗拉強度高、蠕變小和一致性好等優勢。

圖1 超弱光纖光柵解調系統

FPGA+RAM基于光時域反射計(Optical time domain reflectometry, OTDR)反射原理來鎖定UW-FBGs的位置，光脈沖信號到達各光柵點并反射到環形器的時間為τi，則光柵點至環形器的距離Li為：

(1)

式中：n為UW-FBGs折射率(dB)；c為真空中的光速(m·s-1)。

設光信號在兩光柵之間的延時為τ，則相鄰兩光柵之間的距離d為：

(2)

由式(2)可知，當光脈沖的時間間隔小于兩光柵之間的延時τ時，UW-FBG解調系統能區分兩個光柵。對于20 ns光脈沖，光柵最小間隔必須大于2 m。

除了空間上的限制，UW-FBGs間還存在陰影效應。當光脈沖進入UW-FBGs后，上游UW-FBG不斷反射產生的損耗會逐漸累積，下游光柵的反射強度將依次減弱，光譜出現退化。同時，脈沖光在光柵陣列中傳輸還可能產生多次反射，即光脈沖進入光柵陣列后，在上游光柵之間往返，并與下游光柵的反射光同時到達探測器，形成信號串擾[8]。研究表明，當UW-FBG反射率低于-35 dB時，多次反射的影響可以忽略。僅考慮陰影效應的影響，根據相對光強計算公式[19-20]可得：

(3)

式中：I(ri)(λ)為經i個光柵反射后的光強(cd)；I(r0)(λ)為入射光強(cd)；R(λ)為光柵反射率(dB)。

對R(λ)求導得：

(4)

式中k=[1-(2i-1)R(λ)]，令k=0，可得反射率與光柵個數的關系為：

(5)

由式(5)可知，光柵的復用數量與最佳反射率近似成反比。光柵反射率越低，允許復用的光柵點數量越多。當R(λ)=-30 dB時，光柵點復用個數可達到500。

在設計該系統時，考慮光柵陣列自身噪聲以及瑞利散射的影響，優先選擇反射率R(λ)=-40 dB的光柵構建傳感陣列，同波長光柵點間距大于2 m，傳感器數量約為5 000，解調距離大于10 km。

2 軟硬件設計

解調模塊的實物如圖2(a)所示。激光脈沖發生單元、光學線路單元、信號處理及控制單元高度集成后,內置于鋁銑加工的殼體內，風扇外置。整個模塊采用直流12 V供電，模塊功耗低于13 W，體積 230 mm×170 mm×40 mm，常溫下無需啟動風扇即可穩定工作。硬件電路是超弱光柵解調模塊設計的關鍵，主要包括ZYNQ 7020 芯片、外圍電路、A/D轉換電路、光脈沖產生電路、光放大接口電路、光源接口電路、數據上傳電路以及電源電路，如圖2(b)所示。A/D轉換電路是整個電路設計的核心，主要包括信號調理和A/D模數轉換等，前者對模擬信號進行單雙轉換和差分增益放大，后者實現模擬信號轉換為數字信號。每一片A/D支持2路250 M信號的采集，精度14 bit，數據輸出接口為16路并行LVDS差分對，包括14路數據信號、1路數據溢出信號和1路參考時鐘信號；Zynq 7020 電路實時讀取A/D的數據，對數據矩陣進行分析和處理，提取光柵的有效數據信息，進行快速光譜分析。此外，板卡集成了光脈沖調制電路。由FPGA內部生成脈沖信號驅動LMH65xx芯片，高速開關SOA來調制連續激光，產生光脈沖信號，光脈沖通過上位機配置脈沖寬度和脈沖周期。

上位機Demo軟件如圖3所示，主界面包括單波長光譜顯示、實時波長解調以及光柵陣列的位置-波長數據。單波長光譜顯示可以根據光柵序號顯示當前光柵的光譜，實時波長解調子界面展示當前光柵的峰值波長變化，光柵陣列的位置-波長圖表明整根光纖上所有光柵的具體位置，以及該光柵的峰值波長。考慮工程測量的需要，還開發了參數配置子界面、校準子界面、數據存儲及遠程通信子界面、應變分析子界面、溫度分析子界面，方便對測量結果進行分析和處理。

圖3 超弱光纖光柵解調裝置界面

3 系統測試與分析

為了驗證系統的傳感性能，將單波長UW-FBGs(波長1 537 nm，反射率0.05%，間距2 m)接入解調模塊的1通道，對其光柵點的位置進行校準，獲取400個光柵的具體位置和相對功率分布，如圖4所示。在測試模式下，測得各個光柵的位置及波長分布，如圖5所示，模塊解調頻率1 Hz，399個光柵的實測波長分布在 1 537.295 9～1 538.297 3 nm，單光柵的光譜呈高斯分布，半高寬0.15 nm，波長的短期穩定性在0.000 3 nm以內，長期穩定性小于2 pm。其中1#點位置的“光柵”波長出現異常波動，結合光譜可以判定該點并不是真實的光柵點，而是FC/APC端面超標后反射形成的“虛假光柵”，可以在上位機手工刪除。

圖4 單波長超弱光纖光柵位置信息校準示意圖

圖5 單波長超弱光纖光柵測試示意圖

為了進一步提高解調模塊的分辨率，對多波長UW-FBGs進行解調實驗。將波長1 529.000 0、1 541.000 0和1 553.000 0 nm，間距0.5 m，總長1 335 m的UW-FBGs接入解調模塊，校準效果如圖6所示。模塊解調頻率在1 Hz，解調波長分布在1 528.643 0、1 541.008 9和1 552.567 2 nm附近，UW-FBGs個數為2 670，單光柵的光譜呈高斯分布，半高寬0.15 nm，波長的短期穩定性在0.000 3 nm以內，長期穩定性小于2 pm，如圖7所示。驗證了解調模塊對多波長陣列依然具備良好測量精度及穩定性。

圖6 多波長超弱光纖光柵位置信息校準示意圖

圖7 多波長超弱光纖光柵測試示意圖

在多通道模式下，設置循壞采集模式，實現對UW-FBGs的多通道分時解調。以4通道解調為例，通道1和通道2接入單波長光柵，通道3和通道4接入多波長光柵，位置校準如圖8所示，4個通道分別校準獲得光柵的位置和相對功率。光柵個數、波長分布和位置信息等測試效果如圖9和表1所示，得到全部柵點的波長分布情況和位置信息，驗證了解調模塊對多通道的波長陣列具備良好的解調精度及穩定性。

表1 被測樣點光柵參數及實測結果

圖8 4通道超弱光纖光柵位置信息校準示意圖

圖9 4通道超弱光纖光柵測試示意圖

為了評估系統復用光柵的能力，將雙波長UW-FBGs(中心波長為1 530.000 0和1 547.000 0 nm，間距為1 m，長度為4 510.000 0 m，光柵數為4 506個)與三波長UW-FBGs(中心波長為1 542.000 0、1 547.000 0、1 553.000 0 nm，間距為0.5 m，長度為5 970.000 0 m，光柵數為8 955個)熔接后(總長為10 480 m，光柵總數為13 461個)接入解調模塊，UW-FBGs位置與功率校準結果如圖10所示，校準后的UW-FBGs總數為13 232個，部分光柵的功率因低于閾值被系統過濾。模塊解調頻率為1 Hz，雙波長UW-FBGs的波長分布于1 530.001 6和1 547.338 2 nm附近，三波長UW-FBGs的波長分布于1 541.215 6、1 547.238 6和1 553.261 6 nm附近。其中，中心波長在1 547 nm的第5 000個光柵的光譜受串擾影響明顯，但近似為高斯分布，如圖11所示，波長的短期穩定性在10 pm以內，長期穩定性小于25 pm。三波長光柵陣列中功率的快速下降，主要源于光纖繞盤張力過大導致附加損耗，而波長 1 547 nm的第5 000個光柵的光譜畸變以及解調精度下降主要是受到陰影效應的影響。

圖10 長距離多波長超弱光纖光柵位置信息校準示意圖

圖11 長距離多波長超弱光纖光柵測試示意圖

4 結 論

提出了一種超弱光纖光柵的模塊化多通道解調系統，分析了傳感系統的工作原理及關鍵參數，采用底層硬件完成了對UW-FBGs的準確定位并進行了信號處理，實現了高精度多通道長距離的分時解調。測試結果表明，解調模塊的功耗低于13 W，體積 230 mm×170 mm×40 mm，同波長光柵數量約5 000個，多波長光柵數量達到13 232個，空間分辨率2 m，單通道感測距離大于10 km。解調系統具有良好的綜合性能，能很好地解決海量數據處理問題，滿足未來大容量傳感網絡的需求。