光纤光栅传感系统信号解调新技术研究
长周期光纤光栅传感信号解调技术现状与发展
传感器与微系统（ ｒｎｄ ｃｒ ｎ ｃｏｙｔｍ Ｔ ｃｎｌｇ ｓ Ｔａｓｕｅ ｄＭｉ ｓｓ ｅｈ ｏｏｉ ） ａ ｒ ｅ ｅ
２１ 年 第 ３ 卷 第 ｌ ０１ Ｏ ｌ期
长 周 期 光 纤 光 栅 传 感 信 号 解 调 技 术 现 状 与发 展
华 静 ， 月明 ，刘 涛 ，皇甫晓 洪 刘
Ａｂ ｔａ ｔ Ｏ ｔ ａ ｂ ｒｇ ａｉ ｇ ｓ ｎ ｉ ｇ ｔｃ ｎ ｌｇ ｓ ｏｌ ｆｔｅ ｍａｎ ｒ ｓ ａ ｃ ｉ ｃｉ ｎ ｎ ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｅ ｄ ｏ ｓ ｒ ｃ ： ｐ ｉ ｌｆ ｅ ｒ ｔ ｅ ｓｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｉ ｉ ｏ ｉ ｅ ｅ ｒ ｈ ｄ ｒ ｔ ｓ ｉ ｈ ｅ ｅ ｒ ｈ ｆ ｌ ｆ ｃ ｉ ｎ ｅ ｈ ｅ ｏ ｉ
（ 中国计量学院 光 电学院 ， 浙江 杭 州 ３０ １ ） １０ ８
摘 要： 光纤光栅传感技术是光纤传感 的主要研究 方 向之一 ， 光纤光栅 主要分 为光纤 Ｂａｇ 栅 （Ｂ ） ｒ 光 ｇ Ｆ Ｇ 和长周期光纤光栅 （ Ｐ Ｇ） Ｌ Ｆ 。相 比于 Ｆ Ｇ，Ｐ Ｇ在 应用方 面具有 独特优 势。对 Ｌ Ｆ Ｂ ＬＦ Ｐ Ｇ的信 号解 调方法进
ｇａ ｎ （ Ｐ Ｇ ． ｏ ｐｒｄｔ Ｆ Ｇ Ｌ Ｆ ａ ａ ｎｑｅａｖｎａｅｉ ｒｌ ｅ ｐ ｌ ａ ｏｓＴ ｅｓ ｎｌ ｎ ｒ ｇｔ ｒｔ ｇ Ｌ Ｆ ） Ｃ ｍ ａ Ｂ Ｐ Ｇ ｈ ｓ ｎｕ ｉｕ ｄａｔ ｅａ ｄａｐｉ ｔｎ ． ｈ ｉ ａ ｉｔ ｒ ａ ｉ ｅ ｏ ｇ ｎ ｔ ｃｉ ｇ ｅｏ ｅ
本 文在分析 Ｌ Ｆ Ｐ Ｇ传感原 理 的基 础上 ，对 Ｌ Ｆ Ｐ Ｇ信 号解调 的几种典 型方法进行 了综述 ， 并对各种解调技术 进行 了分
析、 比较和展望 。 １ Ｌ Ｆ 的传感机理 ＰＧ
光纤光栅解调仪标准
光纤光栅解调仪标准光纤光栅解调仪是一种用于光纤通信系统中解调光信号的重要设备，其性能和标准对于整个通信系统的稳定运行和数据传输质量至关重要。
本文将围绕光纤光栅解调仪的标准进行详细介绍，以便为相关领域的研究人员和工程师提供参考。
1. 光纤光栅解调仪的基本原理。
光纤光栅解调仪是利用光栅原理对光信号进行解调的设备，其基本原理是通过光栅的光学效应对输入的光信号进行频谱分析和解调。
光栅的制备工艺和参数对解调仪的性能有着重要影响，因此需要制定相应的标准来规范光栅的制备和性能测试。
2. 光纤光栅解调仪的关键性能指标。
光纤光栅解调仪的关键性能指标包括分辨率、灵敏度、动态范围等。
这些指标直接影响解调仪在实际应用中的性能表现，因此需要制定相应的标准来规范这些性能指标的测试方法和要求。
3. 光纤光栅解调仪的标准制定。
针对光纤光栅解调仪的重要性能指标，国际上已经制定了一系列的标准来规范其制备和性能测试。
这些标准涵盖了光栅制备工艺、性能测试方法、性能要求等方面，为光纤光栅解调仪的生产和应用提供了重要的参考依据。
4. 光纤光栅解调仪标准的应用。
光纤光栅解调仪标准的制定不仅对于解调仪的生产和质量控制具有重要意义，同时也对于光纤通信系统的稳定运行和性能提升具有重要意义。
遵循标准制定的光纤光栅解调仪能够更好地适应各种复杂的光信号环境，提高通信系统的稳定性和可靠性。
5. 结语。
光纤光栅解调仪作为光纤通信系统中的重要设备，其标准制定对于整个通信领域具有重要意义。
希望本文介绍的光纤光栅解调仪标准能够为相关领域的研究和应用人员提供参考，推动光纤通信技术的发展和应用。
同时也希望在未来的研究中能够进一步完善光纤光栅解调仪标准，为通信领域的发展贡献力量。
通过以上对光纤光栅解调仪标准的详细介绍，相信读者对该领域的标准制定和应用有了更清晰的认识。
光纤光栅解调仪标准的制定是一个系统工程，需要各方共同努力，才能推动行业发展，促进通信技术的进步。
希望本文能够为相关领域的研究和实践工作提供一定的帮助，促进光纤通信技术的不断创新与发展。
光纤光栅的解调方法探究
《嵌入式光纤光栅解调仪》范文
《嵌入式光纤光栅解调仪》篇一一、引言随着科技的不断发展，光纤光栅传感器因其高精度、高灵敏度及抗干扰能力强等优点，在工业、军事、医疗、环保等领域得到了广泛应用。
嵌入式光纤光栅解调仪作为光纤光栅传感器信号处理的核心设备，其性能的优劣直接影响到整个系统的测量精度和稳定性。
本文将详细介绍嵌入式光纤光栅解调仪的技术原理、应用领域及前景展望。
二、嵌入式光纤光栅解调仪技术原理嵌入式光纤光栅解调仪主要通过扫描光源对光纤光栅进行扫描，获取其反射或透射的光信号，然后通过解调技术将光信号转换为电信号，最终实现物理量的测量。
其技术原理主要包括光源扫描、光信号传输、光电转换及信号处理等部分。
1. 光源扫描：嵌入式光纤光栅解调仪采用高稳定性的光源，通过扫描器对光纤光栅进行扫描，获取其反射或透射的光信号。
2. 光信号传输：光信号经过光纤传输至解调仪内部，进行光电转换和信号处理。
3. 光电转换：通过光电探测器将光信号转换为电信号，为后续的信号处理提供基础。
4. 信号处理：通过解调算法对电信号进行处理，提取出所需的物理量信息。
三、嵌入式光纤光栅解调仪的应用领域嵌入式光纤光栅解调仪在各个领域都有广泛的应用，主要包括以下几个方面：1. 工业自动化：用于测量温度、压力、位移、振动等物理量，提高工业自动化水平。
2. 军事领域：用于测量弹道轨迹、武器系统状态等关键参数，提高军事装备的性能和作战能力。
3. 医疗健康：用于监测生理参数，如血压、心率、血糖等，辅助医疗诊断和治疗。
4. 环保监测：用于监测水质、空气质量等环境参数，为环保工作提供数据支持。
四、嵌入式光纤光栅解调仪的优点与挑战嵌入式光纤光栅解调仪具有以下优点：1. 高精度：由于采用高稳定性的光源和先进的解调算法，嵌入式光纤光栅解调仪具有较高的测量精度。
2. 高稳定性：光纤光栅传感器具有较好的抗干扰能力，嵌入式光纤光栅解调仪的稳定性也较高。
3. 易维护：嵌入式光纤光栅解调仪结构紧凑，操作简便，便于维护和保养。
基于线阵CCD的光纤光栅传感解调技术
ＤＵ ｎ Ｐｉ ｇ．Ｍ Ｕ ｉ Ｌｅ
（ ／ ｔ ｔ ｅ ｎｌ ｙＲｅ ａｃ ｅｔ ，Ｗｕ ａ ｉｅｓｙｏ ｅ ｎｌ ｙ Ｆｂ Ｏｐｉ Ｔ ｃ ｏｏ ｅ ｃ ｈ ｇ ｓ ｒ Ｃｎｅ ｅ ｈ ｒ ｈ ｎＵｎｖｒｉ ｔ ｆＴ ｃ ｏｏ ，Ｗ ｕａ ４ ０ ７ ，Ｃ ｉａ ｈ ｇ ｈ ｎ， ３ ０ ０ ｈｎ ）
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔｈ ｉ ｎ ｌ ｅ ｄ ｌｔ ｎ ｏ ｉｅ ｒ ｔ ｇ ｓ ｎ ｏ ｓ ｉ ｏ ｅｏ ｈ ｓ ｏ ｔ ｎ ｐ ｌ ａ ｉ ｎ ｉ ｉ ｅ ｒ ｔ ｓｒ ｃ ： ｅ ｓ ａ ｍｏ ｕ ａ ｉ ｆｆ ｒｇ ａ ｉ ｅ ｓ ｒ ｎ ｆｔ ｅ ｍｏ ｔｉ ｇ ｄ ｏ ｂ ｎ ｓ ｍｐ ｒ ａ ｔ ｐ ｉ ｔ ｆ ｒｇ ａ — ａ ｃ ｏ ｎ ｂ ｉ ｇ ｓ ｎ ｒ ．Ｂｙ ｕ ｉ ｇ ｇ ａ ｉ ｇ ａ ｐ ｃ ｒ ｓ ｏ ｅ ａ ｄ ｕ ｉ ｇ ｌ ｅ ｒａ ｒ ｙ Ｃ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｓ ｒ ｔ ｓ ａ ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｓｎ ｉ ａ ｒ ａ ＣＤ ｓｔ ｅ ｐ ｏ ｏ ｄ ｔ ｃｏ ，ａ ｎ ｗ ｙ ｅ ｏ ｎ ｎ ｎ ａ ｈ ｈ ｔ ｅ ｅ ｔ ｒ ｅ ｔ ｐ ｆ ｄ ｍｏ ｕ ａ ｉ ｎ ｆ ｒｆ ｅ ｒ ｔｎ ｅ ｓ ｒｉ ｉ ｔｏ ｕ ｅ ｅ ｄ ｌ ｔ ｏ ｉ ｒ ａ ｉ ｇ ｓ ｎ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ．Ｔｈ ｔ ｕ ｔ ｒ ｆｔ ｅ ｗｈ ｌ ｙ ｔ ｍ ｎ ｈ ｔ ｏ ｆ ｐ ｉａ ｏ ｂ ｇ ｏ ｓ ｅｓ ｒ ｃ ｕ ｅｏ ｈ ｏ ｅｓ ｓ ｅ ａ ｄ ｔ ｅｍｅ ｈ ｄ ｏ ｔ ｌ ｏ ｃ ｓ ｓ ｅ ｄ ｓ ｎ ｒ ｒ ｓ ｎ ｅ ｎ ｈ ｒ ｃ ｓ ｆｓ ｅ ｔ ａ ｄ ｔ ｏ ｌｃ ｉ ｇ ｕ ｄ ｒ ｔ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌｏ ｈ Ｌ ｉ ｄ — ｙ ｔ ｍ ｅ ｉ ，ａ ｅ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｐ ｏ ｅ ｓ ｏ ｐ ｃ ｒ ｌ ａ ａ ｃ ｌ ｔｎ ｎ ｅ ｈ ｏ ｔｏ ｆ ｔ ｅ ＣＰ Ｄ ｓ ｅ ｇ ｅ ｓｒ ｅ ｃ ｉ ｄ，ｔ ｅ ｗｏ ｋ ｎ ｉ ｎ ｌ ｆＴＣＤ１ ０ Ｄ ｎ ｌ ｚ ｄ． ｂ ｈ ｒ ｉ ｇ ｓ ａ ｇ ｏ ５ １ ｉ ａ ａｙ ｅ ｓ Ｋｅ ｒ ｓ ｆ ｅ ａ ｇ Ｇｒ ｔｎ ；ｌ ｅ ｒＣ ｙ ｗｏ ｄ ： ｉ ｒＢｒ ｇ ａ ｉ ｇ ｉ ａ ＣＤ；ｔ ｉｇ ｄ ｉ ｅ ｂ ｎ ｉ ｎ ｒｖ ｒ ｍ
光纤光栅的检测技术报告
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。
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。
光纤传感器解调原理
光纤传感器解调原理
光纤传感器是一种利用光纤作为传感元件的传感器，它利用光的传输特性来实现对各种物理量的测量。
光纤传感器解调原理是指利用特定的方法对传感器信号进行处理，从而得到所需要的物理量信息。
在光纤传感器中，解调是非常重要的一环，它直接影响到传感器的测量精度和稳定性。
光纤传感器解调原理主要包括两个方面，即光信号的解调和电信号的解调。
光信号的解调是指对光信号进行处理，从而得到所需要的物理量信息。
通常采用的方法有干涉法、散射法、吸收法等，通过对不同光信号的处理，可以得到温度、压力、应变等物理量的信息。
而电信号的解调则是指将光信号转换为电信号，并对电信号进行放大、滤波、数字化等处理，最终得到所需要的测量结果。
在光纤传感器的解调过程中，需要考虑的因素有很多，例如光纤的损耗、环境的干扰、光源的稳定性等。
为了提高解调的精度和稳定性，通常需要采用一些补偿和校准的方法，以及对解调系统进行优
化和调试。
此外，还需要考虑解调系统的响应速度和动态范围，以适应不同应用场景的需求。
总的来说，光纤传感器解调原理是一项复杂的技术，它涉及到光学、光电子、信号处理等多个领域的知识。
只有深入理解解调原理，并结合实际的应用需求进行优化和调试，才能设计出精度高、稳定性好的光纤传感器解调系统，从而满足各种物理量测量的需求。
随着科技的不断发展，相信光纤传感器解调技术将会得到更大的突破和应用。
光纤通信技术的信号调制与解调方法
光纤通信技术的信号调制与解调方法光纤通信技术是一种利用光纤传输光信号进行通信的技术。
光纤通信作为一项重要的传输方式，在现代通信领域发挥着重要的作用。
而光纤通信技术的信号调制与解调方法是光纤通信中至关重要的环节，它直接影响着信号的传输质量和通信性能。
一、信号调制方法信号调制是将信息信号转换成适合在光纤中传输的光信号的过程。
常见的信号调制方法有以下几种：1. 直接调制法直接调制法是指直接将信息信号直接调制到激光光源上进行传输。
这种方法简单直接，但是由于激光器的频率相位噪声以及调制电路的带宽限制等因素，会导致传输中的信号失真和噪声增加，影响传输质量。
2. 调频调制法调频调制法是指将信息信号转化为频率变化的光信号进行传输。
它利用频率变化来表示不同的信息，通过改变频率的方式来调制光信号。
调频调制法可以有效地抑制噪声干扰，提高传输质量。
3. 调幅调制法调幅调制法是指通过改变光信号的幅度来表示信息的一种调制方法。
它根据信息信号的幅度大小来改变光信号的幅度大小，进而进行信号传输。
调幅调制法简单易用，适合于长距离的信号传输。
二、信号解调方法信号解调是指将经过光纤传输的光信号重新还原成原始的信息信号的过程。
常见的信号解调方法有以下几种：1. 直接检测法直接检测法是指直接将光信号转化为电信号进行解调的方法。
它简单方便，但是由于光信号的衰减以及光线的噪声干扰等因素，容易造成信号失真和噪声增加。
2. 相干解调法相干解调法是指利用干涉原理将光信号转化为电信号进行解调的方法。
相干解调法利用相干检测原理，可以有效地抑制信号噪声，提高信号解调的精度和灵敏度。
3. 光纤光栅解调法光纤光栅解调法是一种基于光纤光栅的结构来对光信号进行解调的方法。
光纤光栅解调法在光信号的解调过程中具有高分辨率和高信号探测灵敏度的优点，适用于高速传输和长距离传输等场景。
总结：光纤通信技术的信号调制与解调方法直接影响着光信号在光纤中的传输质量和通信性能。
信号调制方法包括直接调制法、调频调制法和调幅调制法，而信号解调方法则包括直接检测法、相干解调法和光纤光栅解调法。
光纤法珀(F-P)腔传感器的解调方法研究的开题报告
光纤法珀（F-P）腔传感器的解调方法研究的开题报告标题：光纤法珀（F-P）腔传感器的解调方法研究引言：光纤法珀（F-P）腔传感器是一种广泛应用于测量压力、形变、温度、湿度等物理量的传感器。
其基本原理是使用光纤光栅和光纤法珀干涉技术，将物理量的变化转化为光强的变化。
目前，F-P腔传感器已经被广泛应用于石油、化工、航空航天等领域。
解调是光纤传感器信号处理中最关键的步骤之一，其目的是将信号中的有用信息提取出来，并通过合适的算法进行处理。
在F-P腔传感器中，解调方法直接影响到传感器的灵敏度、精度和稳定性。
因此，对 F-P腔传感器的解调方法进行研究，对于提高其性能具有重要意义。
研究内容：本研究将围绕解调方法的改进和优化展开，包括以下内容：1. 基于光纤光栅和白光干涉的解调方法研究。
目前，多数F-P腔传感器的解调方法均需要使用激光器和光谱仪，而白光干涉技术可以在不需要昂贵仪器的情况下实现解调，因此本研究将研究基于光纤光栅和白光干涉的解调方法，并比较其与传统解调方法的差异。
2. 基于微波光学技术的解调方法研究。
微波光学技术可以将F-P腔传感器信号高速地转换为微波信号，从而实现高速解调。
本研究将研究如何通过微波光学技术实现F-P腔传感器的解调，验证其在解调速度和精度上的优势。
3. 基于机器学习的解调方法研究。
机器学习可以通过训练模型对信号进行智能化处理和解码，从而提高解调的精度和速度，并适应不同物理量的测量需求。
本研究将探究如何将机器学习应用于F-P腔传感器的解调，提高其性能。
进度安排：第1-2个月：对F-P腔传感器原理、结构和常见解调方法进行研究和分析，深入了解各种解调方法的原理和优缺点。
第3-4个月：分别研究并实现基于光纤光栅和白光干涉、微波光学、机器学习的解调方法，并对不同方法的解调精度和速度进行比较分析。
第5-6个月：对各种解调方法的实验结果进行综合评估和探讨，找出各自的优势和局限性，并提出结合优势的综合解调方案。
光纤光栅应变传感器的研制及应用
光纤光栅应变传感器的研制及应用一、本文概述光纤光栅应变传感器，作为一种新型的光纤传感器技术，近年来在多个领域展现出了广阔的应用前景。
本文将全面探讨光纤光栅应变传感器的研制过程、技术原理、性能特点以及在多个领域的应用实践。
文章首先将对光纤光栅应变传感器的基本概念进行介绍，阐述其相较于传统应变传感器的优势与特点。
随后，将详细介绍光纤光栅应变传感器的研制过程，包括其设计思路、制作工艺、封装技术等关键环节。
文章还将对光纤光栅应变传感器的性能进行全面分析，包括其灵敏度、测量范围、稳定性等关键指标。
在应用实践部分，本文将重点介绍光纤光栅应变传感器在土木工程结构健康监测、航空航天器结构应变测量、以及智能材料与结构健康监测等领域的应用案例，展示其在实际工程中的应用效果与潜力。
通过本文的阐述，旨在为读者提供光纤光栅应变传感器研制及应用方面的全面、深入的理解，为其在相关领域的研究与应用提供有益的参考与借鉴。
二、光纤光栅应变传感器的基本原理光纤光栅应变传感器是一种基于光纤光栅效应的高精度测量设备。
其基本原理是，当一束特定波长的光波在光纤中传播时，由于光纤内部的光栅结构，光波会发生反射，形成特定的光栅光谱。
当光纤受到外部应变作用时，光栅结构会发生变化，进而引起光栅光谱的波长移动。
这种波长移动与应变成线性关系，通过精确测量波长移动量，就可以推算出光纤所受的应变大小。
光纤光栅应变传感器具有灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点，因此在工程结构健康监测、航空航天、桥梁隧道安全检测等领域有广泛的应用前景。
同时，随着光纤光栅制作技术和解调技术的不断发展，光纤光栅应变传感器的测量精度和稳定性也在不断提高，为各类复杂工程结构的安全监测提供了有力的技术支持。
三、光纤光栅应变传感器的设计与制造光纤光栅应变传感器的设计与制造是确保传感器性能稳定和精确的关键环节。
在设计阶段，我们需要充分考虑应变传感器的实际应用环境和需求，如温度、压力、湿度等环境因素，以及测量精度、响应速度、稳定性等性能要求。
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文章编号:1671-637Ⅹ(2008)0220085205
光纤光栅传感系统信号解调新技术研究
王 瑜, 乔学光, 傅海威, 禹大宽, 马 超, 张 晶(西安石油大学陕西省光电传感测井重点实验室,西安 710065)
摘 要: 信号解调是光纤光栅传感系统实用化所面临的最大难题,其核心问题在于设计高分辨率、低成本的波长检测方案。总结了光纤光栅传感信号解调的一般原理和技术难点,对常用解调方法进行了分类和归纳。目前报道的主要解调方法是滤波法、干涉法和可调光源扫描法。针对不同的解调方法,重点介绍了它们的工作原理及性能特点,评价了其优缺点,并分别给出了它们的实验原理图。对目前最有应用前景的可调谐F-P滤波法进行了详细的介绍和分析,并加入了对原有方案的改进,用气体吸收池代替原来的参考光栅。关 键 词: 光纤传感; 光纤光栅传感; 信号解调; 波长编码中图分类号: V243.1文献标识码: A
NewdemodulationtechnologiesforfiberBragggratingsensingsystem
WANGYu, QIAOXue2guang, FUHai2wei, YUDa2kuan, MAChao, ZHANGJing(ShanxiKeyLaboratoryofPhotoeletricSensingLogging,Xi’anPetroleumUniversity,Xi’an710065,China)
Abstract: Signaldemodulationisoneofthemostcomplicatedproblemsinpracticalapplicationoffibergrat2ingsensorsystem,andthecoreissueliesinthedesignofawave2lengthexaminationschemethathashigherresolutionandlowercost.Thegeneralprincipleandthetechnicaldifficultiesofthefibergratingsensorsystemsignaldemodulationaresummarized,andthecommonly2useddemodulationmethodsareclassified.Themaindemodulationtechniquesreportedcurrentlyare:filterdemodulation,interferencescanningdemodulationandtunablesourcedemodulationmethods.Theprincipleofoperation,characteristicsandfunctionsofthemethodsarediscussed,theiradvantagesanddisadvantagesareanalyzed,typicalschemesofexperimentsaregivenre2spectively.ThetunableF2Pfilterdemodulationmethod,whichhasthewidestapplicationprospect,isintro2ducedindetail.WemadesomeimprovementtotheoriginalschemebyusinggascelltoreplacetheoriginalreferenceFBG.Keywords: fibersensor; FiberBraggGrating(FBG)sensor; signaldemodulation; wavelengthencode
0 引言近年来,在光纤通信迅猛发展的带动下,光纤传感器作为传感器家族中年轻的一员,以其在抗电磁
收稿日期:2006210212 修回日期:2006211206
基金项目:中国石油天然气集团公司应用基础研究项目(20050719);陕西省教育厅产业化培育项目(05JC23);
西安市科技局信息技术专项项目(ZX05041)作者简介:王 瑜(1983-),女,陕西咸阳人,硕士,主要从事光纤传感及信号解调方面的研究。
干扰、轻巧、灵敏度等方面[122]独一无二的优势,迅速成长为年成交额超过10亿美金、并预计将于2010年拥有超过50亿美金的市场产业。目前,光纤布拉格光栅(FBG)传感研究有了长足的发展,可以用来测量应变、
温度、压力以及一切可以转换为应变温度的物理量,已经被广泛应用于桥梁、建筑物健康监测、石油工业等领域。尽管这样,光纤光栅传感中的信号解调技术仍然是研究的难点和热点。人们提出了多种方案来提高信号的解调精度,譬如可调光源解调法、边沿滤波法、可调谐滤波法以及干涉扫描解调法等,这些方案各有其优缺点。目前设计出高分辨率、低成本且实用化的解
第15卷第2期2008年2月 电光与控制ELECTRONICSOPTICS&CONTROL Vol.15 №.2Feb.2008调系统仍然是光纤光栅传感研究的核心问题之一。本文在光纤光栅传感机理的基础上,分析比较了几种常见的信号解调方案,简述了它们的工作原理,比较了各自的优缺点,并提出了相应的改进方案。1 光纤光栅传感工作原理[325]光纤光栅(FBG)是光纤纤芯折射率沿纵向周期性变化的一种物理结构,依据耦合模理论可知,光栅反射波长为λB=2neff・Λ(1)式中:λB为FBG的反射光波中心波长,亦称为特征波长;neff为纤芯的有效折射率;Λ为光栅周期。满足布拉格条件的光被反射,其他波长的光波透射过去。当光纤光栅发生形变或环境温度发生变化时,由于光栅周期的变化、弹光效应、热光效应的存在,光栅反射波长都会发生变化。通过检测波长的变化就可以测得温度、应变的大小。由此可见,对于给定的光纤光栅和基于光纤光栅的传感器,其响应灵敏度也是给定的,解调系统分辨率和测量精度的高低直接影响对待测量的检测分辨率和精度。高精度、高分辨率光纤光栅解调系统一直以来是光纤光栅传感系统的重点研究内容。2 光纤光栅信号解调技术的主要方法及原理[628] 对于一个完整的传感系统来说,采用什么样的解调方法,将决定它的性能及应用范围。迄今为止,人们已经提出了多种解调方法,常用的解调工具有光谱仪、单色仪,但这些仪器价格昂贵且不易携带。近年来,滤波法、干涉扫描法和可调光源扫描法等解调方法被提出来。滤波法,就是FBG的输出为滤波器的输入,FBG的反射光谱和滤波器的输出光谱具有一定关系,通过检测透过滤波器的光功率,进而推导出光波长的改变量;干涉扫描法,就是基于扫描干涉仪来检测FBG波长的改变量的一种方法,主要用于高灵敏度的动态和准静态的压力测量;可调光源扫描法,就是用可调谐激光光源输入光纤光栅,并周期性地扫描光纤光栅的反射谱(或透射谱),当激光波长调谐至FBG反射峰值波长时,探测器处接收到的反射信号光强最大,此时由激光器的扫描电压-波长关系可得到传感光纤光栅的中心反射波长。下面对几种主要的解调方法加以分析和论述。2.1 滤波法2.1.1 边沿滤波法[9]如图1所示,此方法是利用边沿滤波器的光谱透射率与入射光功率谱密度呈线性关系的这一特性进行滤波的。作用在传感器上的物理量的变化影响FBG反射光的中心波长λB,FBG的反射光进入耦合器后分为两束:一束光通过边沿滤波器后其光强度IF
与信号的中心波长漂移成对应关系,而另一束光
作为参考光其强度IR保持不变。因此通过IF与I
R
的比值,即可求得FBG反射光的中心波长处的实际
透射率,进而确定λB的漂移量。确定λB的公式为IF
IR
=AλB-λ0+bπ(2)
式中:A和λ0分别为边沿滤波器的倾斜度和波长初
始值,b为FBG的半高全宽。引入的参考光强I
R可
以消除由于光源和光纤连接器所带来的光强波动对测量结果的影响。这种边沿滤波法构成的系统成本低,响应速度快并且使用方便,但是受器件传输特性的影响,该方法测量的分辨率较低。
图1 边沿滤波法结构示意图2.1.2 可调谐光纤F2P滤波解调法[10]
解调系统如图2所示。
图2 可调谐光纤FP滤波法解调宽带光源经FBG反射,再经耦合器进入可调导通频带的可调光纤F-P滤波器(FFP),通过电控压电陶瓷改变滤波器中F-P腔长来改变其导通频带。当FFP导通中心波长与某一光纤光栅的布拉格波长重合时,FFP的透射光最大,此时探测器探测到的极大值就对应于这个FBG的反射光的中心波长。由于滤波器的透射谱是FBG反射信号与FFP的导通频带的卷积,能
68 电光与控制 第15卷使带宽增加,分辨率减小。为此,在扫描电压上加一高频抖动信号,可大大提高系统的分辨率。根据探测经混频器和低通滤波器后的输出信号的抖动频率,在信号为零时,所测值为光栅的反射峰值波长。气体吸收器是利用气体的吸收光谱作为波长标准的器件。气体振动转动光谱的吸收峰仅与可跃迁的振动转动能级间的能量间隔有关,而分子能级的漂移又有对温度、压强等外界环境不敏感的特性。因此引入气体吸收器作为波长标定标准器件将会大大提高解调系统设备的测量精度及其稳定性。这种利用可调谐F-P滤波解调技术,结合波分、空分复用技术,同时利用气体吸收器作为标准波长参考,可实现1550nm波段的高精度高稳定度的光纤光栅传感系统,波长测量范围40nm,测量精度可以达到1.3pm。2.1.3 匹配光栅滤波法[11]匹配光栅滤波检测是指对于传感阵列中的每一个光栅,在接收端都有一个特性和参数完全一致的光栅组成“传感-接收”匹配光栅对,从接收光栅了解传感光栅的情况。传感光栅的输出反射谱输入给解调光栅时,只有与两光栅的反射谱重叠部分相对应范围内的光波才可能被反射,而重叠部分的面积与反射谱的光强度成正比,如图3a。其工作方式有两种:反射方式和透射方式。分布式匹配FBG滤波解调工作于反射方式时,如图3b所示匹配光栅(G1t～G4t)跟踪作为敏感元件的传感光栅(G1s～G4s)的反射波长的变化。4个匹配光栅被夹持在1个由压电陶瓷(PZT)驱动的调节架。当1个跟踪光纤光栅的布拉格波长与它相对应的敏感光纤光栅的布拉格波长相匹配时,对应的探测器将接收到信号。当这两个布拉格波长完全对准时,探测器接收到的信号将增至最大。从而获得传感光栅的中心反射波长。本系统在调节架下连接一光栅尺,用来读出系统的输出。当调节架由PZT驱动拉伸调节4个跟踪光纤光栅时,调节架同时推动光栅尺的测量头,这样光栅尺的输出与调节架推动测量头的位移成正比。由此推算出中心反射波长。光栅尺的光栅周期为10μm,并经过1000倍细分,所以光栅尺的测量分辨率为10μmΠ1000=0.01μm。所以本系统的测量分辨率可达到0.5μ应变量。当其工作于透射方式时,如图3c所示。各匹配光栅由不同的PZT进行独立波长调谐,并且串联成滤波光栅阵列,信号光进入此阵列后由同一探测器接收透射光,依次对各匹配光栅单独调谐,当接收光强最小时,由PZT的电压一波长调谐关系即可获取各传感光栅上的待测物理量。