光纤光栅信号解调技术 光纤光栅传感器复用技术

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1、光纤光栅信号解调技术光纤光栅传感器复用技术光纤光栅信号解调技术，光纤光栅传感器复用技术一(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

2、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1，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。图1光纤光栅传感解调系统由上述可知，光纤光栅传感

3、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

4、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。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B和自动测试等特点，常用于实验室。图2宽谱输入光谱仪检测示意图光谱分析仪是检测光波光谱的仪器，其工作原理如图3。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

5、;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。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4。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

6、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。图3光谱仪的工作原理图4多波长计的工作原理在光谱仪中，还有一种方案是通过傅立叶变换光谱法直接分析光纤Bragg光栅的波长光谱，如图5。来自光栅阵列的反射光入射到光纤Michelson干涉仪，其中，该干涉仪的一端由压电光纤延伸器控制以改变相对光程。当光程差为零时，探测器会接收到拍频信号。在该方法中，光栅的

7、反射离散波长导致了明显的音频信号。可通过外部扰动场对这种频率进行调制。在整个相干长度范围内，通过光栅反射光谱产生的干涉图，实现了对Michelson光程差进行扫描。FFT分析仪的,6分辨率为Hz，这表示等价的波长移位分辨率为0.015nm，或转换为1550nm610，,,波长的应变分辨率为~12。图5光纤Fourier变换光谱法检测传感光栅的原理光纤傅立叶变换光谱法克服了干涉波长移位检测中检测范围的限制，提2,供了相当高的波长分辨率，在整个相干长度范围内，通过获得光栅反射光谱产生的干涉图，从而实现传感光栅的波分复用，如

8、图5所示。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6所示，这种边缘滤波器输出光强的变,I,,,化量与波长漂移量成正比，该滤波函数可表示为0FA()(),,,,,(1)0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。图6边缘滤波线性