光纤光栅的解调技术

可调谐波长的光纤F a b r y-Perot滤波器检测单个传感光栅的
跟踪模式
（2）声光可调谐滤波器
• 声-光可调谐滤波器（AOTF）是一种由射频（RF）驱动 频率可调谐的固态光滤波器，其中，AOTF的波长调谐范 围可宽至几个毫米，时间响应可小于5kHz，并具有窄的 光谱带宽。该器件可工作于多种模式，如分光计、颤动滤 波器和跟踪滤波器等。若提供覆盖整个工作范围的宽带光 源或光源组，AOTF可应用于大规模光纤Bragg光栅阵列 的波长复用。利用AOTF中不同频率的多射频信号，原理 上可实现多光栅的并行检测。 • 声光可调谐滤波器有两种工作模式，即扫描模式和锁定模 式。在扫描模式中，AOTF受电压控制振荡器（VCO）在 传感波长范围内的调节，来自光栅的功率被记录下来；在 锁定模式中，检测系统采用反馈环来跟踪特定的光栅波长， 如图。 • 频率偏离与滤波传输、光栅反射率和强度噪声无关。该技 术可跟踪多光栅的波长，工作于传输和反射结构。
声-光可调谐滤波器检测传感光栅的原理
4．匹配光栅检测法
在检测端设置一参考光栅，其光栅常数与传感光栅相同。参考光 栅贴于一压电陶瓷片（PZT）上，PZT由一外加扫描电压控制， 如图 。当传感光栅处于自由态时，参考光栅的反射光最强，光 探测器输出信号幅度最高。这时控制扫描信号发生器使之固定输 出为零电平，当传感光栅感应外界温度和应变时，发生移位，使 参考光栅的反射光强下降，信号发生器工作，使参考光栅的输出 重新达到原有值，这时的扫描电压对应一定的外界物理量。
光纤光栅信号解调技术
信号检测是传感系统中的关键技术之一，传感解调系统的实质是一个信 息（能量）转换和传递的检测系统，它能准确、迅速地测量出信号幅度的 大小并无失真地再现被测信号随时间的变化过程，待测信息（动态的或静 态的）不仅要精确地测量其幅值，而且需记录和跟踪其整个变化过程。 从解调的光波信号来看，光纤光栅传感信号的解调方案包括强度解调、 相位解调、频率解调、偏振解调和波长解调等。其中，波长解调技术具有 将感测的信息进行波长编码，中心波长处窄带反射，不必对光纤连接器和 耦合器损耗以及光源输出功率起伏进行补偿等优点，得到了广泛应用。如 图，在传感过程中，光源发出的光波由传输通道经连接器进入传感光栅， 传感光栅在外场（主要是应力和温度）的作用下，对光波进行调制；接着， 带有外场信息的调制光波被传感光栅反射（或透射），由连接器进入接收 通道而被探测器接收解调并输出。由于探测器接收的光谱包含了外场作用 的信息，因而从探测器检测出的光谱分析及相关变化，即可获得外场信息 的细致描述。相比而言，基于反射式的传感解调系统比较容易实现。
6．CCD分光仪检测法
• 利用衍射光栅等分光元件，将传感光 栅的反射谱（或透射谱）经透镜准直 后在空间展开，再用CCD同时直接测 出各波长的相对光强，参见图
• 接收到的波长被转换为沿探测单元阵列的位置信息， 其波长分辨率由像素宽度描述的探测器表面的光栅 线性色散所决定，单位为nm/pixel。采用该技术可获 得小于1μ ε的应变分辨率，并且，CCD分光仪提供 了一种检测传感光栅的空分和波分混合的复用技术， 其中，由同一根光纤连接的传感光栅反射的Bragg波 长沿CCD的纵向分布，提供了波分复用技术；而不 同光纤反射的光波经光纤阵列入射到曲线光栅反射 后沿CCD的横向分布。 • CCD分光法的优点是响应时间快，抗干扰能力强。 不足之处是，对波长的分辨率的影响因素较多，诸 如准直透镜的成像质量、焦距、衍射光栅的光谱分 辨率、CCD的空间分辨率等。
3.可调谐滤波检测法
• （1）可调谐波长的光纤F a b r y-P e r o t滤波器
• • 可调谐光纤F a b r y-P e r o t滤波器（FFP）已广泛应用 于传感光栅的信号解调，其中，该滤波器可由L o r e n t z 谱线形状的带通响应描述，典型的带宽为0.3nm，工作范 围为几十个纳米，受限于由两平面镜距离所决定的共振之 间的自由光谱区（FSR）。 • 通过压电陶瓷（PZ）精确移动平面镜的间距，可改变F a b r y-P e r o t腔的的腔长，从而实现滤波器的调谐，参见 下图。当前，可调谐FPF的扫描频率可达1kHz。该滤波器 有两种工作形式：可检测单个光栅的跟踪（闭环）模式； 可检测多个光栅的扫描模式。为保证光纤光栅的反射信号 总能被FFP检Байду номын сангаас，FFP的自由光谱区应大于光纤光栅的工 作谱区。
1.光谱仪和多波长计检测法
• 在光纤光栅传感系统中，对波长移位最直接的检测方法是： 利用宽带光源（如发光二极管LED），输入光纤光栅，再 用光谱仪（或多波长计）检测输出光的中心波长移位，如 图2。该法结构简单，具有可携带性、经久耐用且易于使 用和自动测试等特点，常用于实验室。
光谱分析仪原理
• 光谱分析仪是检测光波光谱的仪 器，其工作原理如图。在光谱仪 中，通过调节衍射光栅的角度， 使衍射光栅分离出不同的波长， 分离出来的特定光波由反射镜聚 焦到光阑孔/探测器；旋转衍射 光栅可对波长范围进行扫描。使 用光谱仪进行测量，在光功率、 信噪比、信道增益方面能够得到 较为理想的结果，对波长进行测 量，分辨率可达0.001nm，基本 可满足对光栅Bragg波长移位量 的分辨。
2.边缘滤波器检测法
• 基于边缘滤波器的线性解调原理如图所示，这种边缘滤波器输出光强 的变化量与波长漂移量成正比，该滤波函数可表示为 • F ( ) A( 0 ) （1） • 将从传感光栅反射回的、包含波长移位调制的光信号分成两束，分别 送到两个不平衡的滤波器中，经滤波器后两光强相除，其结果就包含 波长移位的信息
5．波长可调谐光源解调法
可调谐窄带光源的调 谐原理是窄带可调谐 光输入光纤光栅，并 周期性地扫描其输出 波长以获取光纤光栅 的反射谱（或透射 谱），由每次扫描反 射光最强时的扫描电 压可知相应的波长值。
• 如上图所示为一种高精度的连续可调谐掺饵光纤激光器检 测位于1550nm波段的传感光栅。该检测系统受限于激光 器~2.3nm的波长调谐范围，可检测的最大温度为180；检 测精度受限于PZT的精度，即2.3pm或~0.18。该方案最大 的优点在于使用光纤激光器可以获得比宽带光源高得多的 信噪比（SNR），并且获得了2.3pm的高分辨率；不足之 处在于高精度的PZT调谐器价格通常昂贵，其调谐范围有 限。并且，检测速度受PZT响应时间和控制回路的限制。 • PZT、AOTF窄带可调谐光输入多只光纤光栅，并周期性 地扫描变化其输出波长以扫描各光纤光栅的反射谱，由每 次扫描反射光在相关波长域内最强时的扫描电压可知相应 的波长值，从而实现WDM传感网络。
多波长计原理
• 若需要更精确的波长测量，可选用多波长计，其工作原理参见图。 在多波长计中，利用光波的干涉效应将同相位的光信号加强的原 理来对不用的光波进行区分。从光纤来的光信号在通过分束镜后， 一部分由于反射到固定反射镜，然后返回；另一部分透射到可移 动的反射镜，然后返回，这两束同源但不同路径的光束，在重新 汇合时，某些特定波长的光信号将由于同相位而产生干涉、光强 增加，被探测器捕获。对可移动反射镜进行微调，可改变两光束 的光程差，以此来选择对不用光波的扫描。多波长计对波长的测 试非常精确，分辨率可达0.0004nm，能看到系统的噪声平台， 但在功率测量方面不如光谱分析仪。
光纤光栅传感解调系统
波长移动检测方案
• 由上述可知，光纤光栅传感器的关键技术是测量其波长的 移动。通常测量光波长都是用光谱分析仪，包括单色仪和 傅立叶变换光谱仪等。它的波长测量范围宽，分辨率高， 能测量出微小的应变量，用于分布式测量也极为简便，但 它体积大，价格昂贵，一般都用于实验室中，不宜实际现 场使用。在实际应用中，还必须利用光纤光栅的优良特性， 研发高灵敏度、光能利用率高、稳定性好、性价比高的新 型传感解调系统取代实验室中的光谱分析仪，以用于工程 结构的现场实测与监控。 • 目前比较典型的主要有以下几种波长移动检测方案：光谱 仪和多波长计检测法，边缘滤波检测法，可调谐滤波检测 法，匹配光栅检测法，波长可调谐光源解调法，CCD分光 仪检测法，非平衡M-Z干涉仪检测法等。
IS A(B 0 ) IR
• • • • •
式中 Is——信号光强； IR——参考光强； R ——光纤的反射率； A ——线性滤波器的比例系数。 由式可见，和直接测量值呈线性关系，由此可求出动态的值。 这种检测方法基于光强检测，适用于动态、静态测量，具有较好 的线性输出，测量范围与探测器的分辨率成正比。该方案的优点 在于采用了较好的补偿措施，能够有效地抑制光源输出功率的起 伏、连接干扰和微弯干扰等不利因素，且系统反应迅速，成本较 低，使用方便，在几个mε测量范围内，该系统具有几十个μ ε的 分辨率。
边缘滤波线性解调系统原理
• 从光纤Bragg光栅返回的光均匀分为两束，一束直接送入探测器 作为参考信号；另一束则通过滤波函数为式（1）的线性滤波器， 再送入探测器，反射光是谱宽为的Gaussian分布，则接收到的光 强分别为 1
IS 2 I 0 RA(B 0

)
IR
1 I0 R 2
光纤光栅激光器 实现传感
• 此外，鉴于线性边缘滤波检测方案中，光电探测器 输出的信号电平非常低，信噪比低，会降低系统的 测量分辨率，压缩测量的动态范围，又提出了一种 光纤光栅激光传感器，如图所示。
• 该传感器由一个980/1550nm的波分复用器和一段 1.5m掺铒光纤和光纤光栅构成一只光纤激光器。掺 铒光纤一端抛光渡银，制成全反射镜，与光纤光栅 一起构成光纤激光器的选频谐振腔。由980nm的掺 钛蓝宝石激光器作泵浦，光纤激光器的工作波长由 光纤光栅确定。图右下方是掺铒光纤激光器的荧光 谱图，激励功率达到阈值功率（约2.7mW）时，开 始出现激光，增至4.9mW时，输出纯激光。轴向应 力作用于光纤光栅，相应改变激光器的输出波长， 同时激光器可以输出足够强的光功率。再将激光器 的输出光送入线性比例探测器去解调，即可测量出 光纤光栅的波长移动。这一方案提高了测量信噪比， 可达到的应变测量分辨率为5.5μ ε。