光纖光柵傳感信號(hào)解調(diào)技術(shù)研究進(jìn)展

吳 晶，吳晗平 ，黃俊斌，顧宏?duì)N

(1.海軍工程大學(xué)兵器工程系，湖北武漢430033;2.武漢工程大學(xué)光電子系統(tǒng)技術(shù)研究所，湖北武漢430205;3.海軍工程大學(xué)管理工程系，湖北武漢430033)

1 引言

光纖光柵(FBG)自產(chǎn)生以來(lái)，就成為通信和傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。尤其是在傳感領(lǐng)域，F(xiàn)BG傳感器作為一種新型傳感器，相對(duì)傳統(tǒng)傳感器具有質(zhì)量輕、體積小;高靈敏度、高分辨率;耐腐蝕、耐高溫;抗電磁干擾;能組建大規(guī)模準(zhǔn)分布式傳感網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)［1］。因而被廣泛應(yīng)用到民用工程結(jié)構(gòu)、艦船結(jié)構(gòu)、核設(shè)施等領(lǐng)域的安全監(jiān)測(cè)［1-3］。

FBG柵傳感器作為一種波長(zhǎng)調(diào)制器件，在應(yīng)用時(shí)如何精確地解調(diào)出波長(zhǎng)變化量，是FBG傳感器走向?qū)嵱没枰鉀Q的關(guān)鍵問(wèn)題之一。為此，研究人員作了大量的工作，并提出了很多行之有效的解調(diào)方法。本文對(duì)現(xiàn)有解調(diào)方法進(jìn)行綜述，按照解調(diào)原理進(jìn)行分類，并對(duì)各種方法的解調(diào)精度、成本、復(fù)用能力和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較和分析，以期為FBG傳感器能更廣泛的應(yīng)用于傳感領(lǐng)域提供參考。

2 FBG解調(diào)方法分類

目前，F(xiàn)BG傳感信號(hào)的解調(diào)方法有很多，根據(jù)各種解調(diào)方法的原理和特點(diǎn)，將現(xiàn)有的解調(diào)方法分為以下幾類:

2.1 邊緣濾波法

該法用某些濾波器的線性濾波特性，將FBG反射信號(hào)的波長(zhǎng)漂移量轉(zhuǎn)化為光功率變化量，通過(guò)測(cè)量光功率變化量來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)。原理如圖1(a)所示，當(dāng)FBG的反射信號(hào)經(jīng)過(guò)線性濾波器時(shí)，濾波器的輸出功率隨反射信號(hào)的中心波長(zhǎng)改變而改變，從而可將FBG反射信號(hào)的中心波長(zhǎng)變化量轉(zhuǎn)化為功率強(qiáng)度變化量，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)。

圖1(b)是用體積光學(xué)線性濾波器實(shí)現(xiàn)的線性解調(diào)系統(tǒng)［4］。試驗(yàn)結(jié)果顯示其測(cè)量范圍為11mε，應(yīng)變分辨率為375με。其優(yōu)點(diǎn)是:能有效抑制光源輸出功率的起伏影響，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，成本低，適合動(dòng)態(tài)、靜態(tài)測(cè)量，具有較好的線性輸出。不足之處:測(cè)量精度受體積濾波器準(zhǔn)直和穩(wěn)定性的影響較大，分辨率較低，不利于攜帶。

圖1 邊緣濾波解調(diào)系統(tǒng)及原理Fig.1 System and principle of edge filter demodulation

針對(duì)體積光學(xué)線性濾波器的不足，1994年M.A.Davis提出用光纖波分復(fù)用(WDM)耦合器替代體積光學(xué)濾波器，實(shí)現(xiàn)一個(gè)全光纖線性濾波系統(tǒng)［5］。系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 WDM邊緣濾波解調(diào)系統(tǒng)Fig.2 WDM filter demodulation system

圖3 采用偏振控制器的WDM邊緣濾波解調(diào)系統(tǒng)Fig.3 WDM filter demodulation system with polarization controller

FBG的反射信號(hào)經(jīng)光纖波分復(fù)用(WDM)耦合器從兩個(gè)端口輸出，兩端口的透過(guò)率反射信號(hào)的波長(zhǎng)近似成線性關(guān)系。則系統(tǒng)的輸出η=與反射波長(zhǎng)成線性關(guān)系，因此，可通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)的輸出值來(lái)確定反射波長(zhǎng)值。其優(yōu)點(diǎn)是:提供一種全光纖、便攜式解調(diào)系統(tǒng)，降低了連接損耗，提高了系統(tǒng)的分辨力。不足之處:WDM具有偏振特性，導(dǎo)致測(cè)量波長(zhǎng)精度不高。針對(duì)WDM的偏振特性，2005年田珂珂在系統(tǒng)上增加一個(gè)偏振控制器，用于控制輸入光的偏振狀態(tài)，有效提高了系統(tǒng)解調(diào)精度和穩(wěn)定性［6］，如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示:系統(tǒng)的波長(zhǎng)解調(diào)范圍為10 nm，波長(zhǎng)分辨率為0.01 nm。此后，研究人員采用邊緣濾波法進(jìn)行了大量研究，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和濾波器選擇上作了很多改進(jìn)，如陣列波導(dǎo)光柵(AWG)、長(zhǎng)周期光纖光柵、非對(duì)稱F-P濾波器、光源的邊緣濾器，如表1所示。

表1 邊緣解調(diào)算法性能對(duì)照表Tab.1 Performance comparison of edge filter demodulation method

2.2 匹配濾波法

該法用與傳感光柵參數(shù)相近的參考光柵來(lái)跟蹤傳感光柵波長(zhǎng)變化的解調(diào)方法。系統(tǒng)如圖4(a)所示。傳感光柵FBG1的反射信號(hào)光經(jīng)耦合器輸入到參考光柵FBG2，F(xiàn)BG2在壓電驅(qū)動(dòng)元件作用下跟蹤FBG1的反射波長(zhǎng)變化，當(dāng)FBG2反射波長(zhǎng)與FBG1反射波長(zhǎng)匹配時(shí)，反射功率最大，通過(guò)測(cè)量驅(qū)動(dòng)信號(hào)可解調(diào)出被測(cè)量。2004年陸青采用此法實(shí)現(xiàn)應(yīng)變測(cè)量精度為3.0με，測(cè)量范圍為522με［18］。匹配濾波系統(tǒng)不僅有反射式還有透射式，透射式的光電探測(cè)器放置于接收透射光位置，通過(guò)檢測(cè)透射光功率來(lái)解調(diào)被測(cè)物理量，系統(tǒng)如圖4(b)所示。

圖4 單點(diǎn)匹配濾波系統(tǒng)Fig.4 Matched filter system with single point

另外，匹配濾波法還可將參考光柵采用并聯(lián)、串聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)陣列光柵解調(diào)，如圖5所示。

圖5 分布式匹配濾波系統(tǒng)Fig.5 Distributed matching filter system

由匹配濾波原理可知，當(dāng)參考光柵和傳感光柵的反射譜達(dá)到完全匹配時(shí)，其反射光功率最大或透射光功率為零，而實(shí)際難以實(shí)現(xiàn)完全匹配，通常選擇最佳匹配。而輸出光功率是絕對(duì)值，因此會(huì)在完全匹配點(diǎn)兩側(cè)各有一個(gè)最佳匹配點(diǎn)，導(dǎo)致雙值問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，可采用多檔光柵并聯(lián)解調(diào)，通過(guò)合理選擇并聯(lián)解調(diào)光柵的中心波長(zhǎng)和帶寬，將反射光功率與應(yīng)力的非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性問(wèn)題，可解決雙值問(wèn)題［18-19］。也可以合理選擇匹配光柵中心波長(zhǎng)、帶寬和中心波長(zhǎng)差，使傳感光柵反射譜與并聯(lián)的兩個(gè)光柵都有重疊部分，通過(guò)對(duì)并聯(lián)匹配光柵的組合掃描，判斷兩個(gè)重疊部分的變化方向來(lái)確定反射譜唯一性［20］。

匹配濾波法優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、適合于靜態(tài)和低頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。不足之處:測(cè)量范圍有限，檢測(cè)靈敏度由PZT位移靈敏度決定，PZT的非線性影響輸出結(jié)果，系統(tǒng)光損耗較大。

2.3 可調(diào)諧濾波法

該法是用不同光學(xué)器件和輔助器件構(gòu)成可調(diào)諧光學(xué)器件，當(dāng)可調(diào)諧濾波器光譜與傳感光柵光譜匹配時(shí)，輸出值最大，從而跟蹤傳感光柵波長(zhǎng)變化。測(cè)量分辨率受反射信號(hào)信噪比、可調(diào)諧濾波器和傳感光柵帶寬影響。

2.3.1 可調(diào)諧光纖F-P濾波法

該法用F-P腔的波長(zhǎng)選擇特性來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)，系統(tǒng)如圖6(a)所示，傳感光柵反射的窄帶光譜經(jīng)耦合器進(jìn)入F-P濾波器，當(dāng)傳感光柵反射光譜與F-P濾波器透射光譜重合時(shí)，濾波器輸出功率最大。F-P腔透射譜與F-P腔的間隔有關(guān)，而F-P腔的間隔則受壓電體上的鋸齒波掃描電壓控制，因此，通過(guò)測(cè)量最大光強(qiáng)值對(duì)應(yīng)的掃描電壓可解調(diào)出傳感波長(zhǎng)。另外，也可將光纖F-P濾波器前置，實(shí)現(xiàn)圖6(b)所示解調(diào)系統(tǒng)。將寬帶光源光譜變成窄帶光譜，掃描傳感光柵，當(dāng)窄帶光譜與傳感光柵反射譜相同時(shí)，產(chǎn)生反射，通過(guò)檢測(cè)反射光譜即可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)。此法優(yōu)點(diǎn)是:信號(hào)穩(wěn)定，解調(diào)范圍大，一般都在40 nm，精度近似1 pm，能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光柵傳感網(wǎng)絡(luò)復(fù)用。缺點(diǎn):可調(diào)諧F-P濾波器的非線性和不重復(fù)性影響解調(diào)精度，當(dāng)掃描頻率增加時(shí)，濾波器輸出信噪比下降，目前的掃描頻率一般為1 kHz。

圖6 可調(diào)諧光纖F-P濾波器解調(diào)系統(tǒng)Fig.6 Tunable fiber F-P filter demodulation system

針對(duì)F-P濾波器的不重復(fù)性問(wèn)題，2006年，王軍提出采用一個(gè)固定波長(zhǎng)光柵作為參考光柵的方法，有效減小了可調(diào)諧F-P濾波器輸出中心波長(zhǎng)漂移產(chǎn)生的影響［21］。另外，針對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓VFSR的變化量不穩(wěn)定產(chǎn)生的誤差，提出了雙波長(zhǎng)參考法，通過(guò)增加可調(diào)諧F-P濾波器掃描驅(qū)動(dòng)電壓的變化范圍，使其在一個(gè)掃描周期內(nèi)能兩次探測(cè)到參考光柵的反射峰，則這兩個(gè)峰值之間的光譜間距為一個(gè)FSR，對(duì)應(yīng)的掃描電壓差為一個(gè)VFSR，從而可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)出VFSR，有效提高了系統(tǒng)解調(diào)精度。

2009年，陳亮針對(duì)F-P濾波器透射波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)電壓值線性度不高的問(wèn)題，提出了一種引入帶標(biāo)記熱穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)具模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的解調(diào)方法，系統(tǒng)如圖7所示，寬帶光經(jīng)F-P濾波器調(diào)諧成窄帶光譜后經(jīng)耦合器分成兩路，一路輸入到傳感光柵，另一路輸入到帶標(biāo)記熱穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)具，標(biāo)準(zhǔn)具透射光作為校準(zhǔn)數(shù)據(jù)［22］。該方法利用帶標(biāo)記熱穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)具的梳狀濾波特性，對(duì)傳感光柵的反射譜進(jìn)行分段實(shí)時(shí)尋峰。優(yōu)點(diǎn):有效解決了可調(diào)諧F-P濾波器驅(qū)動(dòng)電壓與透射光譜之間重復(fù)測(cè)量點(diǎn)擾動(dòng)影響，解調(diào)精度可達(dá)1 pm，不足之處是解調(diào)精度受單位譜寬內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)的影響。

圖7 帶標(biāo)準(zhǔn)具模塊的可調(diào)諧F-P濾波器解調(diào)系統(tǒng)Fig.7 Tunable fiber F-P filter demodulation system with Fabry-Perot cavity standard utensil

2011年，劉琨等人針對(duì)F-P濾波器非線性問(wèn)題，采用多項(xiàng)式擬合法來(lái)描述F-P濾波器透射波長(zhǎng)和驅(qū)動(dòng)電壓的非線性關(guān)系，有效減小了波長(zhǎng)的隨機(jī)誤差;另外，采用參考光柵法降低傳感光柵波長(zhǎng)的定位誤差，有效提高了系統(tǒng)解調(diào)精度［23］。

2.3.2 聲-光可調(diào)諧濾波法

該法以電調(diào)諧實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)掃描。工作模式分為掃描模式和鎖定模式。掃描模式:電壓控制震蕩器(VCO)控制聲－光可調(diào)諧濾波器(AOTF)在傳感波長(zhǎng)范圍內(nèi)掃描，并記錄傳感光柵反射功率;鎖定模式:檢測(cè)系統(tǒng)采用反饋回路來(lái)跟蹤特定的光柵波長(zhǎng)［24］。優(yōu)點(diǎn)是:能進(jìn)行多波長(zhǎng)信號(hào)的并行處理，從而可實(shí)現(xiàn)復(fù)用;不足:系統(tǒng)檢測(cè)精度受AOTF帶寬影響，精度不高。

2.3.3 可調(diào)諧半導(dǎo)體量子阱電子吸收濾波法

該法用量子限制Stark效應(yīng)，調(diào)節(jié)半導(dǎo)體量子阱電子吸收濾波探測(cè)器的吸收邊緣，得到一種波長(zhǎng)可調(diào)諧濾波器［25］。優(yōu)點(diǎn):成本低、體積小。不足:解調(diào)精度低。

2.4 光源波長(zhǎng)可調(diào)諧掃描法

2.4.1 可調(diào)諧窄帶光源解調(diào)

該法是通過(guò)受鋸齒波電壓周期作用的外置PZT控制可調(diào)諧窄帶光源，輸出在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)周期性變化的窄帶光譜，掃描傳感FBG陣列，當(dāng)光源輸出的窄帶光譜波長(zhǎng)與傳感FBG反射波長(zhǎng)相等時(shí)，探測(cè)器輸出的光功率最大［26］。系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 可調(diào)諧窄帶光源解調(diào)系統(tǒng)Fig.8 Tunable narrowband source demodulation system

優(yōu)點(diǎn):信噪比和分辨率較高，可得到的最小波長(zhǎng)分辨率為2.3 pm，溫度分辨率為0.2℃。缺點(diǎn):穩(wěn)定性、可調(diào)諧范圍和PZT響應(yīng)時(shí)間等因素限制了其實(shí)際應(yīng)用。2011年，張治國(guó)等人采用周期性調(diào)諧反射式半導(dǎo)體光放大器(R-SOA)與可調(diào)諧FBG構(gòu)成窄帶可調(diào)諧激光器，在波長(zhǎng)1 551.91～1 553.92 nm范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)波長(zhǎng)探測(cè)精度為0.02 nm，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高［26］。

2.4.2 鎖模調(diào)制解調(diào)法

該法使用多個(gè)傳感FBG、一個(gè)寬帶反射器和一個(gè)鎖模調(diào)制器構(gòu)成一個(gè)多模態(tài)共軸激光腔，通過(guò)改變鎖模調(diào)制器的頻率，將激光腔鎖定在不同的模態(tài)下，輸出不同波長(zhǎng)的激光，從而對(duì)傳感光柵進(jìn)行尋址［28］，系統(tǒng)如圖9所示。缺點(diǎn):系統(tǒng)分辨率和動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍受鎖模結(jié)構(gòu)限制。

圖9 鎖模解調(diào)系統(tǒng)Fig.9 Mode-locked demodulation system

圖10 環(huán)形腔光纖激光器激射解調(diào)系統(tǒng)Fig.10 Erbium-doped fiber ring laser demodulation system

2.4.3 環(huán)形腔光纖激光器掃描法

該法是將可調(diào)諧FFP置于環(huán)形光纖激光器，通過(guò)FFP濾波器調(diào)節(jié)摻鉺環(huán)形腔工作波長(zhǎng)。環(huán)形腔由隔離器、可調(diào)FFP濾波器、摻鉺光纖放大器組成。當(dāng)FFP透射譜與某個(gè)傳感光柵反射譜一致時(shí)，環(huán)形腔才能產(chǎn)生激光，通過(guò)檢測(cè)環(huán)形腔輸出光強(qiáng)便可解調(diào)出傳感光柵波長(zhǎng)［29］。系統(tǒng)如圖10所示。優(yōu)點(diǎn):信噪比高，可以實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用;不足之處:應(yīng)變分辨率不高，只能在某一波長(zhǎng)上靜態(tài)掃描，不能檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)。

2.5 射頻探測(cè)法

該法將光源發(fā)出的光信號(hào)調(diào)制成一定頻率的正弦射頻信號(hào)來(lái)照射傳感光柵和參考光柵，通過(guò)監(jiān)測(cè)反射回的射頻信號(hào)強(qiáng)度變化量來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)。2008年 Dong采用此法實(shí)現(xiàn)傳感信號(hào)解調(diào)［30］，系統(tǒng)如圖11 所示。

圖11 射頻探測(cè)法解調(diào)系統(tǒng)Fig.11 Radio frequency signal measurement system

寬帶光源發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)光電調(diào)制器(EOM)調(diào)制成一定頻率正弦射頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)光柵反射回的光功率信號(hào)可表示為:

式中，f為調(diào)制頻率，m(0＜m＜1)為調(diào)制系數(shù)，Pr和Ps分別為參考FBG和傳感FBG發(fā)射的光功率分別為相應(yīng)的載波光功率，φr和φs分別為兩個(gè)調(diào)制信號(hào)的相位。假設(shè)寬帶光源的光譜較平坦，則兩個(gè)FBG的調(diào)制信號(hào)功率相等，即，則輸出功率可表示為:

式中:n為光纖折射率，c為光速，ΔL為兩個(gè)FBG間距離，D為長(zhǎng)單模光纖的色散系數(shù)，L為長(zhǎng)單模光纖的長(zhǎng)度。

由以上可知，輸出功率Pout與Δφ有關(guān)，而Δφ又與傳感FBG波長(zhǎng)變化量Δλ有關(guān)，因此，可通過(guò)檢測(cè)輸出光功率變化量解調(diào)出波長(zhǎng)變化量。優(yōu)點(diǎn):成本低，靈敏度可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，能實(shí)現(xiàn)高速測(cè)量。不足之處:應(yīng)變分辨率受光源功率強(qiáng)度和調(diào)制信號(hào)噪聲影響較大。

2.6 光柵啁啾解調(diào)法

該法用光柵啁啾效應(yīng)來(lái)測(cè)量被測(cè)參量信息，根據(jù)解調(diào)機(jī)理可分為強(qiáng)度解調(diào)法和相位解調(diào)法。

2.6.1 強(qiáng)度解調(diào)法

強(qiáng)度解調(diào)法是將被測(cè)參量的變化轉(zhuǎn)換為光柵反射光功率的變化，通過(guò)測(cè)量啁啾光柵反射光功率來(lái)測(cè)量被測(cè)參量信息。系統(tǒng)如圖12所示，經(jīng)啁啾光柵反射回的窄帶光信號(hào)，經(jīng)耦合器輸出到光電探測(cè)器，功率可表示為為光功率傳遞系數(shù);ρ(λ)為寬帶光源的功率普密度，R(λ)為啁啾光柵的反射率)。

圖12 強(qiáng)度型光柵啁啾解調(diào)系統(tǒng)Fig.12 Intensity-Modulated demodulation system with chirped FBG

實(shí)測(cè)過(guò)程中，可選用一個(gè)功率譜密度相對(duì)較平坦的寬帶光源，則ρ(λ)為常數(shù)，此時(shí)探測(cè)功率為P=ηρRΔλ。2005年，Dong采用此思想，提出在直角三角形懸臂梁側(cè)面粘貼光纖光柵，通過(guò)懸梁臂彎曲效應(yīng)產(chǎn)生的光柵啁啾效應(yīng)，使反射帶寬產(chǎn)生變化，導(dǎo)致輸出光功率發(fā)生變化［31］。2004年，劉波等人利用啁啾光柵的類矩形反射譜特性，用其作為帶通濾波器選擇波長(zhǎng)，并結(jié)合長(zhǎng)周期光纖光柵邊沿線性濾波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)指定波長(zhǎng)范圍內(nèi)傳感波長(zhǎng)解調(diào)［32］。優(yōu)點(diǎn):不受環(huán)境溫度影響;不足之處:應(yīng)用范圍有限，僅適用于與啁啾效應(yīng)相關(guān)參量測(cè)量，靈敏度較低。

2.6.2 相位解調(diào)法

該法用啁啾光柵波長(zhǎng)與相位延遲呈線性關(guān)系，將啁啾光柵作為波長(zhǎng)敏感元件的波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)。系統(tǒng)如圖13所示，傳感光柵反射信號(hào)經(jīng)光纖放大器放大，由環(huán)形器進(jìn)入啁啾光柵，產(chǎn)生與其中心波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的相位延遲。經(jīng)啁啾光柵反射回的光信號(hào)送入光電探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。通過(guò)相位探測(cè)器來(lái)比對(duì)探測(cè)信號(hào)相位和參考信號(hào)相位，得到相位變化量。因由啁啾光柵決定的常數(shù);λ0為Bragg光柵的初始波長(zhǎng);λ1為Bragg光柵變化后的波長(zhǎng);Ω0為調(diào)制頻率;n為纖芯有效折射率)，因此，可以通過(guò)相位變化量求出波長(zhǎng)值，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)。

圖13 相位型光柵啁啾解調(diào)系統(tǒng)Fig.13 Phase-Modulated demodulation system with chirped FBG

圖14 CCD分光儀解調(diào)系統(tǒng)Fig.14 CCD demodulation system

2011年，李志全等人采用此法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式光纖Bragg光柵傳感器解調(diào)，系統(tǒng)應(yīng)變測(cè)量范圍為0～2 000με，溫度測(cè)量范圍為0～80℃，相位變化與被測(cè)信號(hào)線性度達(dá)到0.998［33］。優(yōu)點(diǎn):采用全光纖結(jié)構(gòu)、解調(diào)速度快、不需要對(duì)光強(qiáng)變化進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)、靈敏度可調(diào)、便于實(shí)現(xiàn)復(fù)用。

2.7 CCD 測(cè)量法

該法用衍射光柵將傳感光柵反射譜在空間展開(kāi)，再用CCD同時(shí)測(cè)出各波長(zhǎng)的相對(duì)光強(qiáng)，根據(jù)光斑在CCD上的不同成像位置，計(jì)算出各波長(zhǎng)漂移量，系統(tǒng)如圖14所示［34-35］。優(yōu)點(diǎn):成本低、光能利用率高、響應(yīng)速度快、抗干擾，可用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)大容量光柵復(fù)用。不足之處:影響波長(zhǎng)分辨率的因素較多。

2011年，崔劍針對(duì)低分辨率CCD測(cè)量FBG值波長(zhǎng)時(shí)影響解調(diào)精度的兩個(gè)因素:一是受CCD像素?cái)?shù)目限制，掃描FBG反射譜獲得采樣點(diǎn)數(shù)有限，精確重構(gòu)FBG反射普難度較大;二是用特定函數(shù)擬合反射譜與FBG實(shí)際反射譜差異較大。采用基于FBG實(shí)際反射譜構(gòu)建基函數(shù)匹配CCD，測(cè)量獲得有限測(cè)量點(diǎn)，確定FBG峰值波長(zhǎng)偏移量［36］。實(shí)現(xiàn)了CCD采樣點(diǎn)數(shù)少、光譜分辨率較低情況下對(duì)FBG峰值波長(zhǎng)偏移量的高精度測(cè)量。

2.8 干涉解調(diào)法

這類方法是利用干涉儀將波長(zhǎng)變化量轉(zhuǎn)化成相位變化量來(lái)實(shí)現(xiàn)解調(diào)，具體分為以下幾種:

2.8.1 非平衡Mach-Zehnder干涉法

該法是利用非平衡Mach-Zender(M-Z)干涉儀將傳感光柵波長(zhǎng)變化量轉(zhuǎn)換成相位變化量，系統(tǒng)如圖15所示［37］。傳感光柵反射光經(jīng)耦合器入射到非平衡Mach-Zender(M-Z)干涉儀，干涉儀兩臂長(zhǎng)度不相等，其中一個(gè)臂的長(zhǎng)度使用壓電陶瓷(PZT)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而動(dòng)態(tài)改變臂長(zhǎng)差d。干涉儀輸出光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換輸入相位解調(diào)儀，得到輸出光相位變化量Δφ，根據(jù)，可解算出傳感光柵反射波長(zhǎng)變化量ΔλB。

圖15 非平衡Mach-Zehnder干涉解調(diào)系統(tǒng)Fig.15 Unbalanced Mach-Zehnder interferometer demodulation system

圖16 Michelson干涉儀解調(diào)系統(tǒng)Fig.16 Michelson interferometer demodulation system

優(yōu)點(diǎn):響應(yīng)速度快，分辨率高，多適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量，可對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)解調(diào)。不足之處:解調(diào)精度非線性，解調(diào)范圍較小，不適用絕對(duì)應(yīng)變測(cè)量，易受外界因素干擾。2008年，張錦龍等人針對(duì)該法的不足，采用XPM(交叉相位調(diào)制)技術(shù)，應(yīng)用鎖相位方法調(diào)制M-Z干涉儀信號(hào)光相位，避免了使用PZT等機(jī)械結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)可重復(fù)性和速度，較好地解決了干涉法解調(diào)精度非線性和解調(diào)范圍較小的問(wèn)題，系統(tǒng)溫度測(cè)量精度可達(dá)0.1 ℃［38］。

2.8.2 Michelson 干涉解調(diào)法

該法利用Michelson干涉儀將傳感光柵波長(zhǎng)變化量轉(zhuǎn)換成相位變化量，系統(tǒng)如圖16所示［39］。傳感光柵反射光經(jīng)兩個(gè)耦合器入射到Michelson干涉儀，用安裝在短臂上的手鋸齒電壓驅(qū)動(dòng)的壓電陶瓷來(lái)調(diào)解兩臂之間光程差，干涉儀輸出信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波等處理后輸入相位計(jì)，同時(shí)將PZT驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為參考信號(hào)輸入相位計(jì)，調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)參數(shù)，使兩路信號(hào)頻率相同，此時(shí)通過(guò)相位計(jì)輸出值可計(jì)算出傳感光柵波長(zhǎng)值。優(yōu)點(diǎn):可用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量，響應(yīng)速度快，應(yīng)變分辨率達(dá)5.5με，靈敏度為 1.8με，可實(shí)現(xiàn)復(fù)用傳感網(wǎng)絡(luò)解調(diào)。不足之處:測(cè)量精度受環(huán)境影響較大。

2.8.3 Sagnac 干涉解調(diào)法

該法用Sagnac干涉儀將傳感光柵波長(zhǎng)變化量轉(zhuǎn)換成相位變化量，系統(tǒng)如圖17所示［40］。傳感光柵反射光經(jīng)耦合器被分成相等且方向相反兩束光，經(jīng)過(guò)保偏光纖產(chǎn)生不同的相位延遲，在相遇點(diǎn)發(fā)生干涉，產(chǎn)生與波長(zhǎng)相關(guān)相位差，通過(guò)測(cè)量相位差可確定波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)解調(diào)。

優(yōu)點(diǎn):全光纖結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)小型化，適合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量，靜態(tài)分辨率達(dá)2.12με，動(dòng)態(tài)分辨率達(dá)穩(wěn)定性和重復(fù)性較好。2009年，張錦龍等人運(yùn)用此法進(jìn)行溫度測(cè)量，平均精度可達(dá)0.03℃，準(zhǔn)確度 ±0.0℃［41］。2003年，Zhao Dong-hui等人提出用包含線性啁啾光柵的Sagnac光纖環(huán)作為干涉儀的解調(diào)方案，如圖18所示［42］。由于順時(shí)針和逆時(shí)針傳播的光束在啁啾光柵中的反射位置不同，從而導(dǎo)致兩束光的相位差發(fā)生變化，且與波長(zhǎng)有關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)。靜態(tài)分辨率達(dá)±4.2με，動(dòng)態(tài)分辨率達(dá)辨率和動(dòng)態(tài)范圍易調(diào)節(jié)，線性和穩(wěn)定性較好。

圖17 保偏光纖的Sagnac干涉解調(diào)系統(tǒng)Fig.17 Sagnac interferometer demodulation system with polarization maintaining fiber

圖18 線性啁啾光柵的Sagnac干涉解調(diào)系統(tǒng)Fig.18 Sagnac interferometer demodulation system with chriped FBG

2.8.4 基于光纖偏振分束器和保偏光纖的干涉解調(diào)系統(tǒng)

2010年，王葵如等人采用光纖偏振分束器(PBS)和保偏光纖(PMF)中偏振模干涉原理實(shí)現(xiàn)光纖Bragg光柵波長(zhǎng)解調(diào)，系統(tǒng)如圖19所示［43］。傳感光柵反射的窄帶譜經(jīng)偏振控制器進(jìn)入保偏光纖，激起兩個(gè)正交偏振模式，經(jīng)單模光纖進(jìn)入偏振分束器，兩個(gè)模式又激起4個(gè)正交偏振模式，發(fā)生干涉后輸出成兩路信號(hào)給探測(cè)器。輸出信號(hào)值與傳感光柵反射波長(zhǎng)成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖19 基于光纖偏振分束器和保偏光纖的干涉解調(diào)系統(tǒng)Fig.19 Sensor demodulation system using PBS and PM

優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、檢測(cè)精度高，波長(zhǎng)分辨率＜1 pm，測(cè)量精度＜±1 pm，光損耗小，對(duì)光源功率要求較低，相對(duì)其它干涉解調(diào)方案受環(huán)境影響較小。

為方便了解各種方法優(yōu)缺點(diǎn)，這里建立一個(gè)較粗糙對(duì)照表，如表2所示。

由表2中可看出，邊緣濾波法、匹配濾波法、光柵啁啾法、CCD分光儀法適用于解調(diào)精度要求不高，動(dòng)態(tài)范圍不大的測(cè)量，成本較低;可調(diào)諧濾波法、光源波長(zhǎng)可調(diào)諧掃描法、射頻探測(cè)法、干涉法適合于解調(diào)高精度，高頻動(dòng)態(tài)信號(hào);可調(diào)諧濾波法、光源波長(zhǎng)可調(diào)諧掃描法、CCD分光儀法、干涉法適用于大容量復(fù)用網(wǎng)絡(luò)解調(diào)。

表2 不同解調(diào)算法性能對(duì)照表Tab.2 Performance comparison of these demodulation method

3 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)解調(diào)方法的原理和特點(diǎn)將現(xiàn)有方法歸納為:邊緣濾波法、匹配濾波法、可調(diào)諧濾波法、光源波長(zhǎng)可調(diào)諧掃描法、射頻探測(cè)法、光柵啁啾法、CCD分光儀法、干涉解調(diào)法。光纖光柵傳感器解調(diào)技術(shù)雖已取得了很大進(jìn)展，但仍有許多需要深入研究的地方。

在今后的工作中需要進(jìn)一步深入研究的問(wèn)題包括以下幾個(gè)方面:

(1)更大容量分布式傳感網(wǎng)絡(luò)解調(diào)。雖然可調(diào)諧濾波法、波長(zhǎng)可調(diào)諧光源掃描法、CCD分光儀法、干涉法可以實(shí)現(xiàn)一定容量的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)解調(diào)，但還不能滿足一些大型工程結(jié)構(gòu)，如橋梁大壩、大型艦船和航天器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要，這是實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)規(guī)?；囊粋€(gè)關(guān)鍵。

(2)進(jìn)一步提高系統(tǒng)解調(diào)精度、速度和解調(diào)范圍?，F(xiàn)今一些實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)光纖光柵傳感系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求較高，而系統(tǒng)解調(diào)精度和測(cè)量范圍兩項(xiàng)指標(biāo)相互制約，因此，如何采用最優(yōu)化方法同時(shí)提高解調(diào)系統(tǒng)各方面性能也是今后研究方向之一。

(3)有效降低解調(diào)系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)品成本高低是其能否實(shí)用化的一個(gè)關(guān)鍵因素。通常器件性能越高，價(jià)格也越貴。因此，如何在保證系統(tǒng)性能最優(yōu)化前提下盡可能降低系統(tǒng)成本，使其實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，也是今后研究方向之一。

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