光纖光柵鏈路反射譜強(qiáng)度自適應(yīng)調(diào)解

馬義凱　吳湘華

摘要：針對(duì)解調(diào)器單通道多尺度反射光譜的抗壓強(qiáng)度差異太大，導(dǎo)致無法合理尋峰或?qū)し迤顢U(kuò)大的問題，該文明確提出使用具有不同曝光周期時(shí)間的多重曝光解調(diào)方法。調(diào)整最大值，根據(jù)光譜儀數(shù)據(jù)信息的條形圖確定尋峰閾值。該文分析了光譜峰峰值對(duì)尋峰穩(wěn)定性的危害，建立了曝光周期時(shí)間和尋峰閾值響應(yīng)性調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)，完成了響應(yīng)性尋峰解調(diào)優(yōu)化算法MATLAB手機(jī)軟件。根據(jù)對(duì)特定光纖光柵傳感器的檢測，可以解決大差異反射光譜儀的自動(dòng)曝光和尋峰解調(diào)。在保證尋峰穩(wěn)定性的情況下，合理提高了頻譜峰值識(shí)別的總數(shù)和解調(diào)系統(tǒng)的軟件自適應(yīng)性，工作中的力量和穩(wěn)定性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光譜峰峰值在光強(qiáng)飽和值的70%～90%范圍內(nèi)最穩(wěn)定，核心光波長的標(biāo)準(zhǔn)差峰值搜索得到的在0.5pm以內(nèi)，比一次性曝光解調(diào)更穩(wěn)定50%，程序執(zhí)行時(shí)間在100ms以內(nèi)，可完成快速解調(diào)。

關(guān)鍵詞：光纖傳感;光譜強(qiáng)度;曝光周期;尋峰閾值;自適應(yīng)解調(diào)算法

中圖分類號(hào)：TP391? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）08-0109-03

1 引言

光纖華沙光柵尺（FBG）傳感器是近年來發(fā)展迅速的一種型傳感器技術(shù)，因?yàn)樗哂锌垢蓴_數(shù)據(jù)信號(hào)、線性傳感器等優(yōu)點(diǎn)，有利于重復(fù)使用的網(wǎng)絡(luò)解決方案。光纖光柵利用光纖原材料的光敏性（如外部入射角與纖芯內(nèi)鍺正離子相互作用引起的折射率自然變化）在纖芯內(nèi)生成室內(nèi)空間相位差光柵尺。在內(nèi)部創(chuàng)建一個(gè)靈活的（電子散射或反射表面）過濾器或鏡子。利用這一特性，可以形成許多具有鮮明特點(diǎn)的光纖光電器件。此外，光纖本身還具有低耗傳輸、抗干擾信號(hào)、重量輕、直徑細(xì)、柔韌、有機(jī)化學(xué)穩(wěn)定性和絕緣等優(yōu)點(diǎn)。在光纖通信、光纖傳感器、光信息資源管理等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來，以光纖光柵作為外部光反饋元件組成的光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器，除了具有一般外腔半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)外，還具有更強(qiáng)的光波長可控性。光纖通信（尤其是波分復(fù)用系統(tǒng)的軟件）的進(jìn)步可以很好地實(shí)現(xiàn)快速和大空間。因此，光纖光柵近年來引起了眾多專家教授的關(guān)注。具有很大的實(shí)用價(jià)值[1-2]，為高速公路、公路橋梁、大壩、建筑專業(yè)、供配電系統(tǒng)等不同地理環(huán)境健康監(jiān)測等大、中、小型建設(shè)項(xiàng)目提供技術(shù)解決方案[3-5]。近年來，在多測點(diǎn)、多測量主要參數(shù)的應(yīng)用中，以其串聯(lián)連接、加工速度快、體積小、質(zhì)量輕等突出優(yōu)勢(shì)受到航空航天檢測應(yīng)用的青睞[6]。為了能夠更好地實(shí)時(shí)監(jiān)測航天器建造系統(tǒng)的安全性能和可靠性，NASA的科研設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)健康和醫(yī)療技術(shù)，金屬材料傳感器是其首選技術(shù)。他們使用 FBG 對(duì)無人機(jī)機(jī)翼進(jìn)行變形測量檢查。機(jī)翼表面粘貼金屬材料，采用2000應(yīng)變力測力計(jì)組件及時(shí)識(shí)別和測量機(jī)翼熱應(yīng)力，已得到很好的應(yīng)用[7]。

FBG傳感器大數(shù)據(jù)技術(shù)在健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)建設(shè)中必須進(jìn)行長期的信息內(nèi)容檢查，不可避免地要防止因工作溫度、相對(duì)濕度、化學(xué)腐蝕等外部原因造成的損壞[8-10]。在恒定負(fù)載和形貌腐蝕的雙向作用下，F(xiàn)BG 傳感器板會(huì)經(jīng)歷不同程度的特性退化[11]。 FBG特性的劣化會(huì)導(dǎo)致不同程度的光譜畸變、光強(qiáng)損失、光譜重疊。原文中的重點(diǎn)科學(xué)研究是光強(qiáng)的衰減。光強(qiáng)的衰減使得光纖光柵反射面光譜最高值的抗壓強(qiáng)度差異過大，導(dǎo)致無法合理尋峰或?qū)し迤顢U(kuò)大，危及檢測精度檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性和處理速度。在一般工程項(xiàng)目中，以上問題都會(huì)根據(jù)光源的維護(hù)或感應(yīng)路線來處理。因此，需要一種響應(yīng)式解調(diào)技術(shù)來解決這個(gè)問題。

2 FBG反射譜自適應(yīng)解調(diào)算法分析

耦合模式理論是一種基于弱耦合的微擾理論，包括串聯(lián)諧振系統(tǒng)軟件的時(shí)間模式耦合和傳輸系統(tǒng)軟件的室內(nèi)空間模式耦合。兩種傳輸模式之間的耦合屬于室內(nèi)空間模式耦合。作為基本理論，耦合模式理論通常用于分析在光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳播的導(dǎo)模之間的相互作用。

2.1 基于CCD線陣光電探測器的光纖光柵解調(diào)儀原理

對(duì)于光纖光柵傳感信號(hào)解調(diào)的核心工作，是依據(jù)對(duì)光纖光柵不同的中心波長返回值進(jìn)行讀取和變換，進(jìn)而得到外界信息的變化量[13]。文中采用的解調(diào)儀是基于多級(jí)衍射光柵及線陣紅外CCD原理，光路采用透射光柵色散原理[14]。由寬帶光源（ASE）入射的光經(jīng)FBG反射后，帶有傳感信息的反射光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后，由衍射光柵進(jìn)行二級(jí)色散處理，完成頻域—空間域的信息映射，最終聚焦于CCD線陣光電探測器上，生成電信號(hào)。

CCD線陣光電探測器包含256個(gè)線性排列的光電二極管。每個(gè)光電二極管都有各自的積分電路，此電路統(tǒng)稱為像素。經(jīng)過線陣光電探測器的采集處理，得到的是FBG反射譜的光強(qiáng)信息，光強(qiáng)僅代表積分電路電壓的一個(gè)數(shù)字量，電壓經(jīng)過16位的AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并無實(shí)際單位，并且與線陣探測器的像素點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。每個(gè)像素所采集的光強(qiáng)和曝光周期有關(guān)，曝光周期指的是積分電路的時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)，一個(gè)時(shí)鐘周期為100 ms，曝光周期與時(shí)鐘周期的乘積為積分時(shí)間，積分時(shí)間越長，電壓越大，對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)也越大。通過改變曝光周期，可以改變每個(gè)像素點(diǎn)光強(qiáng)大小。

2.2 FBG反射光譜中心波長定位原理

FBG反射光譜包含CCD線陣探測器256個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)信息，通過設(shè)置尋峰閾值將FBG反射光譜分段，即可對(duì)閾值以上的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合作尋峰處理，計(jì)算反射光譜譜峰的中心波長。

2.3 曝光周期、尋峰閾值自適應(yīng)調(diào)整方法

傳統(tǒng)的光譜解調(diào)方法是輸入不同的曝光周期和尋峰閾值觀察光譜的變化，使光譜既不出現(xiàn)過飽和，又能盡可能地識(shí)別出較低的譜峰，同時(shí)還要保證尋峰的穩(wěn)定性。但在多光柵反射譜譜峰強(qiáng)度不一致的情況下，很難同時(shí)符合上述要求。自適應(yīng)解調(diào)算法通過自動(dòng)調(diào)整曝光周期和尋峰閾值，在最大限度內(nèi)增加有效尋峰的個(gè)數(shù)，保證尋峰的穩(wěn)定性。

（1）自適應(yīng)調(diào)整曝光周期的方法

原文中明確提出選擇不同曝光周期時(shí)間的多種曝光解調(diào)方法。每次曝光解調(diào)只保存合理尋峰得到的核心光波長，最后將多次曝光解調(diào)得到的結(jié)果拼湊在一起，形成所有多次曝光的一對(duì)。光柵尺反射面光譜的解調(diào)結(jié)果。

實(shí)際優(yōu)化算法流程為：

Step1：根據(jù)光譜儀抗壓強(qiáng)度飽和狀態(tài)值確定最佳峰值間隔，極限為Imax，最小值為Imin。

Step2：為曝光循環(huán)時(shí)間設(shè)置2個(gè)初始值，將曝光循環(huán)時(shí)間較大的初始值設(shè)置為較大的值以保證最高點(diǎn)飽和，最小初始值設(shè)置為0。

Step3：進(jìn)行光譜儀的初調(diào)。在兩個(gè)曝光周期時(shí)間的已知初始值范圍內(nèi)，用二分法求出使所有光譜儀的最大峰值達(dá)到最佳峰值間隔的曝光周期時(shí)間，并記錄初始調(diào)整的全過程，每次曝光周期的時(shí)間躍遷值和所有光譜峰的峰值和銳度數(shù)，以及達(dá)到最佳峰間隔的最后一個(gè)峰的光譜峰銳度數(shù)。

Step4：根據(jù)Step3中記錄的所有光譜峰的峰和銳度數(shù)，刪除初始調(diào)整后在最佳峰間隔內(nèi)的光譜峰的銳度數(shù)，得到未達(dá)到最佳峰間隔的光譜峰，用銳度數(shù)數(shù)據(jù)庫對(duì)Step3中記錄的峰-曝光周期時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行索引，并線性擬合它們的峰-曝光周期時(shí)間表達(dá)式組。

（2）自適應(yīng)調(diào)整尋峰閾值的方法

由于光譜數(shù)據(jù)中的噪聲點(diǎn)較多，且高低不一，會(huì)產(chǎn)生許多小的波峰，所以需要將噪聲波峰去除，留下真正的譜峰。尋峰閾值的作用是對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，閾值以下為噪聲點(diǎn)，閾值以上為信號(hào)點(diǎn)，信號(hào)點(diǎn)構(gòu)成真正的譜峰。

3 光纖光柵的傳輸理論

4 MATLAB的譜分析

實(shí)驗(yàn)的基本參數(shù)如下：

有效折射率n_eff=1.458，波長區(qū)間為1540nm～1560nm，中心波長為1550nm。

（1）在單峰光譜的光柵長度不同的情況下

本模型中的相移光柵由兩部分組成，第一部分的長度選擇分別為：[L=120×10-6m]、[L=220×10-6m]、[L=320×10-6m]、[L=420×10-6m]。一部分為沒有相移時(shí)的均勻布拉格光柵，另外一部分為加入相移以后的均勻布拉格光柵。不管是第一部分的長度逐漸增加還是第二部分長度逐漸增加，其結(jié)果都是一樣的，在中心波長處的反射率逐漸減小，那么就使布拉格光柵的特征波長透射出去了，與此同時(shí)，整個(gè)光柵的反射窗口在逐漸地向兩邊移動(dòng)，由圖可以看出，在1549nm和1551nm處的反射率逐漸增大。那么，這就為波長選擇器等光器件的研發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

（2）多峰光譜的峰值分析的情況下

在相移分別為：[π2]、[π]、[3π2]、[2π]。對(duì)于相移相位的不現(xiàn)只在于相移矩陣互為相反數(shù)，已經(jīng)開始產(chǎn)生透射窗口，只是在此時(shí)第一部分的光柵長度較短，故此透射率并不是很大，此時(shí)的透射率僅與光柵長度相關(guān)。對(duì)于在相移相位為[2π]的情況下，其相移矩陣已經(jīng)[1，0;0，1]了，與沒有加入相位移動(dòng)時(shí)是一致的，故此時(shí)與均勻布拉格光柵的反射譜線是一致的，那光柵的特征波長還是在1550處，此波長的反射率最大。

5 結(jié)論

本文主要闡述了耦合模式的理論，并利用該方法分析了金屬華沙光柵反射面的光譜特性，并從光柵參數(shù)的理論分析中得到了相關(guān)的危害規(guī)律。理論分析表明，隨著光纖光柵尺寸和折射率的擴(kuò)大，光纖光柵的纖芯透過率增大，網(wǎng)絡(luò)帶寬增大，頂部趨于平坦，與具體的精確測量吻合較好結(jié)果，基本驗(yàn)證了理論分析的準(zhǔn)確性。利用這種規(guī)律，可以具體指導(dǎo)您選擇合理的參數(shù)，制作出符合規(guī)定的各種光纖光柵。

對(duì)于光纖光柵鏈路垂直面光譜抗拉強(qiáng)度不一致時(shí)的解調(diào)，全文明確指出，采用多次曝光解調(diào)響應(yīng)調(diào)整曝光周期，采用光譜條形圖調(diào)整尋峰閾值響應(yīng)。它不僅完成了低抗拉強(qiáng)度譜峰的識(shí)別，而且保證了尋峰的可靠性。

根據(jù)科學(xué)研究對(duì)光譜最大值與透光率關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)光譜最大值在透射周期中間存在線性關(guān)系y=kxb，譜的最大值不同。在該值的 70%～90%范圍內(nèi)，尋峰穩(wěn)定性最大。尋峰得到的核心光波長的標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.5 pm以內(nèi)。與一次性曝光解調(diào)相比穩(wěn)定性提高50%，程序執(zhí)行時(shí)間在100ms以內(nèi)，可完成快速解調(diào)。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】