一種對偏振敏感的光頻域反射光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)解調(diào)方案*

段苛苛,時書麗

(遼寧大學(xué)信息學(xué)院,沈陽 110036)

?

一種對偏振敏感的光頻域反射光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)解調(diào)方案*

段苛苛*,時書麗

(遼寧大學(xué)信息學(xué)院,沈陽 110036)

為解決光纖光柵傳感系統(tǒng)對橫向應(yīng)變的測量問題,提出了一種基于光頻域反射技術(shù)的對偏振敏感的準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)解調(diào)方案,該方案通過跟蹤光纖光柵傳感系統(tǒng)的偏振相關(guān)損耗為橫向應(yīng)變的測量提供信息。建立了系統(tǒng)的理論模型,分析了均勻光纖布拉格光柵在準(zhǔn)分布式系統(tǒng)中的偏振特性以及偏振敏感的解調(diào)系統(tǒng)原理,討論了該方案在測量橫向應(yīng)變的優(yōu)越性,以光柵長度和雙折射量值作為參數(shù),對傳感系統(tǒng)的偏振相關(guān)損耗變化規(guī)律進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明,本文提出的方案可以為在準(zhǔn)分布光纖光柵傳感系統(tǒng)中根據(jù)偏振相關(guān)損耗的變化實(shí)現(xiàn)對橫向應(yīng)變的準(zhǔn)確測量提供理論依據(jù)。

光纖布拉格光柵;準(zhǔn)分布式傳感;光頻域反射;偏振相關(guān)損耗

光纖布拉格光柵FBG(Fiber Bragg Grating)傳感器通過外界物理量對其布拉格波長的調(diào)制來獲取傳感信息。它的體積小,成本低,與光纖有很好的兼容性,并且具有波長自參考的特點(diǎn),抗干擾能力強(qiáng),非常便于埋入被測材料內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測[1]。FBG傳感器不僅具有光纖傳感器的所有優(yōu)點(diǎn),還具備準(zhǔn)分布式傳感和嵌入式傳感能力,這是傳統(tǒng)的傳感器難以實(shí)現(xiàn)的。準(zhǔn)分布式傳感是將多個FBG級聯(lián)在一起,也就是在一根光纖上連續(xù)刻入多個FBG作為傳感點(diǎn),利用復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)變、壓力等多種參量的準(zhǔn)分布式測量[2],因此,準(zhǔn)分布式FBG傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵就是要解決波長解調(diào)以及復(fù)用尋址的問題。

目前,對于準(zhǔn)分布式FBG傳感系統(tǒng)的解調(diào)方法有兩大趨勢。一種解決方案是在FBG的傳感點(diǎn)照射一個寬帶光源,將FBG反射的不同波長的光通過一個波長檢測分析系統(tǒng),主要有光譜儀檢測法、邊緣濾波法[3-4]、匹配光柵濾波法[5]、可調(diào)諧F-P濾波法[6-7]、干涉掃描法[8]等。這是比較常見的解調(diào)方法,在這類方案中,傳感點(diǎn)的數(shù)量直接受限于光源的頻譜范圍、探測器以及光柵間的波長間隔,因此光柵復(fù)用的數(shù)量有限,且存在分辨率低、濾波損耗大、測量范圍有限等缺點(diǎn)。第2種解決方案是基于光反射技術(shù),主要有光時域反射OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)和光頻域反射OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry)兩種技術(shù)。采用OTDR技術(shù)可以提高光柵的復(fù)用數(shù)量,但在檢測中會出現(xiàn)不可避免的盲區(qū),且測量時間較長,空間分辨率和動態(tài)范圍這兩個重要指標(biāo)不可兼得?；贠FDR的相干檢測技術(shù)采用全同F(xiàn)BG實(shí)現(xiàn)波長解調(diào)和光柵空間位置的查詢,具有高精度、高靈敏度、高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)[9-10],且可以在空間分辨率不變的情況下,通過提高光源的相干性來增大動態(tài)范圍,克服了OTDR空間分辨率和動態(tài)范圍不可兼得的劣勢,因此,OFDR技術(shù)非常適合應(yīng)用于準(zhǔn)分布式FBG傳感系統(tǒng)的解調(diào)。

采用線性掃頻光源和合適的算法,可以根據(jù)OFDR得到的FBG反射光的振幅譜來對軸向應(yīng)變或溫度變化進(jìn)行解調(diào)。然而,對于橫向應(yīng)變的測量,振幅譜不能夠提供足夠的信息[11-12]。這是由于軸向應(yīng)變或溫度變化使FBG的中心波長產(chǎn)生線性變化,而橫向應(yīng)變會引起雙折射效應(yīng)從而導(dǎo)致產(chǎn)生兩個不同的布拉格波長,而且這種分離可能非常小,難以被光譜分析儀或常規(guī)的FBG傳感器解調(diào)系統(tǒng)分辨[13-14]。為了解決準(zhǔn)分布式FBG傳感系統(tǒng)中橫向應(yīng)變的測量問題,本文基于OFDR技術(shù)提出了一種對偏振敏感的準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)解調(diào)方案,該方案通過跟蹤FBG傳感器的偏振相關(guān)損耗PDL(Polarization Dependent Loss)為橫向應(yīng)變測量提供信息。建立了系統(tǒng)模型,以光柵長度和雙折射量值等作為參數(shù),對準(zhǔn)分布式FBG傳感系統(tǒng)的PDL變化規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明,提出的方案可以為在準(zhǔn)分布FBG傳感系統(tǒng)中根據(jù)PDL的變化實(shí)現(xiàn)對橫向應(yīng)變的準(zhǔn)確測量提供理論依據(jù)。

1 理論模型

1.1 光纖布拉格光柵

光纖光柵是利用光纖材料的光敏特性,用紫外光的干涉圖案曝光光纖,使光纖纖芯的折射率呈現(xiàn)周期或非周期性變化。光纖布拉格光柵(FBG)是一種均勻周期的光纖光柵,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,它的主要特性是能夠反射集中于布拉格波長λBragg附近的窄帶光[10]。當(dāng)有寬帶光入射到FBG時,FBG會對入射光進(jìn)行選擇性的反射,反射光的中心波長即布拉格波長λBragg,它滿足的布拉格條件如式(1)所示:

λBragg=2neffΛ

(1)

式中:neff為光柵區(qū)的光纖纖芯有效折射率,Λ為光纖光柵的周期。

圖1 FBG結(jié)構(gòu)及其光譜特性

當(dāng)FBG受到軸向應(yīng)變作用或者溫度變化影響時,纖芯的折射率和光柵周期都會發(fā)生相應(yīng)的變化,從而引起布拉格波長的偏移,因此,通過檢測光柵中心波長的偏移量就可以實(shí)現(xiàn)軸向應(yīng)變和溫度傳感。當(dāng)FBG受到橫向應(yīng)變時,由于光纖的變形,在纖芯折射率發(fā)生變化的同時會產(chǎn)生雙折射效應(yīng)。此外,除了外界作用下的雙折射效應(yīng),FBG自身存在一些雙折射,主要是光纖本征雙折射和光柵寫入過程中引入的光致雙折射,一般來說量級在10-6和10-5之間。當(dāng)光柵中存在雙折射時,兩個偏振模(x模和y模)的折射率之間會存在一個差值,用Δβ來表示,于是具有雙折射的FBG在兩個方向上的有效折射率分別為:

neff,x=neff+Δβ/2

(2)

neff,y=neff-Δβ/2

(3)

1.2 基于OFDR的FBG傳感解調(diào)方案

本文提出的對偏振敏感的基于OFDR的FBG傳感解調(diào)方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示?？烧{(diào)諧激光源(TLS)發(fā)出線性掃頻的連續(xù)光,經(jīng)光纖耦合器C0分為兩個路徑,分別稱為檢測干涉儀和輔助干涉儀。檢測干涉儀由耦合器C1,參考反射鏡和級聯(lián)的FBG傳感陣列組成,從FBG反射回的測試信號與反射鏡反射回的參考信號在耦合器C1中發(fā)生相干干涉,然后經(jīng)過一個偏振分束器,將相干光信號分成兩個相互正交的偏振光信號,分別送入光探測器Dx和Dy中進(jìn)行檢測。輔助干涉儀采用Mach-Zehnder干涉儀結(jié)構(gòu),由兩個耦合器C2和C3,以及兩段光纖組成,用來補(bǔ)償非線性頻率掃描對FBG位置信息解調(diào)的影響,提高空間分辨率。

輔助干涉儀處的探測器DAUX上觀察到的信號是時間的函數(shù),可以表示為:

DAUX=cos(2πγτauxt)

(4)

式中:γ表示調(diào)諧率,單位為Hz/s,τaux表示輔助干涉儀的光程差。式(4)還可以表示為:

DAUX=cos(2neffLauxk)

(5)

式中:Laux表示光程,τaux=cLaux/neff,c代表真空中的光速。探測器DAUX以k為采樣間隔,對Dx和Dy兩個探測器的信號進(jìn)行等間距采樣,從而補(bǔ)償非線性掃頻的影響。

圖3 檢測干涉儀的理論模型

1.3 理論模型與分析

在本文中,考慮到兩個偏振模,采用耦合模理論和瓊斯矩陣來對FBG陣列和OFDR系統(tǒng)進(jìn)行建模,并通過各自的偏振態(tài)對FBG傳感器兩個偏振模的透射系數(shù)進(jìn)行解調(diào)。于是,基于解調(diào)后的透射系數(shù)Tx和Ty,FBG傳感系統(tǒng)的偏振相關(guān)損耗可以表示為:

(6)

式中:Tx和Ty分別是x模和y模對應(yīng)的透射系數(shù)。

檢測干涉儀的理論模型如圖3所示,圖中標(biāo)出了系統(tǒng)不同部分的傳輸矩陣。每一部分都有兩個傳輸矩陣分別對應(yīng)沿x軸和y軸的兩個偏振模。將陣列中每個FBG的傳輸矩陣都分成N個長度為Δz的均勻片段,每個均勻片段上的傳輸可以用矩陣表示為:

(7)

式中:δj表示自耦合系數(shù),κ為在不同方向傳輸時兩個模之間的AC耦合系數(shù),ν代表干涉條紋的對比度(0<ν<1),各參數(shù)之間的關(guān)系如下:

(8)

(9)

(10)

參考臂上的相移矩陣可以由式(11)給出:

(11)

由于參考臂中包含反射鏡,故系統(tǒng)的輸出和輸入之間的關(guān)系為:

(12)

式中:Ein(0)和Et(z0)分別是在輸入和反射鏡的位置向前傳播模式的振幅,而Ereference(0)和Er(z0)分別是在輸入和反射鏡的位置向后傳播模式的振幅(圖3)。應(yīng)用以下邊界條件:

Ein(0)=1

(13)

Er(z0)=Et(z0)eiπ

(14)

可得:

(15)

利用以上三式可以得出鏡像反射系數(shù)為:

RLMirrror=Ereference(x)(0)x+Ereference(y)(0)y

(16)

信號臂中FBG陣列之前的光纖部分相移矩陣表示為:

(17)

由于光路包含了FBG陣列,因此,整個系統(tǒng)的傳輸矩陣T可以看作FBG陣列之前的相移矩陣PBj,每個FBG對應(yīng)的矩陣FBGj,以及FBG之間的光纖部分對應(yīng)的矩陣P這3部分的乘積,可以表示為:

(18)

式中:

(19)

lp表示光柵之間間隔的長度。于是,包含M個級聯(lián)FBG和兩個偏振模的整個傳感系統(tǒng)的輸入和輸出之間的關(guān)系可以表示為:

(20)

第M個FBG上的反射光可以表示為:

(21)

式中:ax和φy(j=x或y)分別為輸入信號偏振態(tài)的幅值和相位,表示傳輸矩陣Treflection,j中的元素。

最后,對反射信號的絕對值求平方,就可以得到輸出信號,于是,偏振分束器輸出的兩個信號Dx和Dy可以計算如下:

Dx=|RLmirror,x+RLFBG,x|2

(22)

Dy=|RLmirror,y+RLFBG,y|2

(23)

1.4 利用偏振敏感的OFDR系統(tǒng)解調(diào)PDL

在圖3所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,如果第M個FBG處于測試狀態(tài),那么作用在這個FBG上的物理量(如橫向應(yīng)變)會對它的PDL譜產(chǎn)生影響。首先,將檢測到的OFDR的時域信號轉(zhuǎn)換到頻域;然后,待測FBG附近的OFDR信號在一個特定的頻率上通過帶通濾波器濾波,帶通濾波器的帶寬與待測FBG波長的帶寬呈負(fù)相關(guān)。對濾波后的OFDR信號進(jìn)行快速傅利葉逆變換(IFFT),就可以在混疊的信號中分離出陣列中每個FBG的反射光譜。由兩個偏振模(通過信號和獲得)對應(yīng)的兩個反射系數(shù)可以得到透射系數(shù)和,再利用式(6)就可以計算出每個FBG的PDL譜。

2 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)上述的理論模型,仿真研究了光柵長度和雙折射量值這兩個參數(shù)對PDL的影響。仿真使用的參數(shù)如表1所示。

表1 仿真所用參數(shù)

圖4為雙折射量值對PDL譜的影響,圖5為雙折射量值與PDL峰值之間的關(guān)系。從圖4可以看出,當(dāng)雙折射較小,小于10-4時,PDL的峰值與雙折射量值呈單調(diào)遞增關(guān)系,這是因?yàn)榇藭rx模和y模的兩個光譜發(fā)生了重疊。當(dāng)大于10-4時,隨著雙折射大小的增加,和之間的光譜重疊逐漸消失,于是PDL的峰值達(dá)到飽和,趨于穩(wěn)定。仿真結(jié)果顯示,當(dāng)從0.2×10-4變化到1.8×10-4時,PDL的峰值從2.6 dB增大到8.4 dB,PDL譜中主峰之間的波長間隔隨雙折射的增大而增加,由0.15 nm增加到0.2 nm。因此,在雙折射較小的范圍內(nèi)(小于10-4),也就是PDL單調(diào)遞增的這段區(qū)間內(nèi),可以根據(jù)PDL峰值來感知雙折射的大小,從而實(shí)現(xiàn)傳感測量。

圖4 雙折射大小變化時的PDL譜

圖5 雙折射對PDL峰值的影響

圖6 不同光柵長度下的PDL譜

圖6給出了不同光柵長度情況下PDL譜的變化情況,從圖6可以看出,隨著光柵長度的增加,與傳輸譜的阻帶邊緣相對應(yīng)的波長處的PDL峰值會增大。仿真結(jié)果顯示,當(dāng)光柵長度L從0.4 cm變化到1.4 cm時,PDL的峰值從0.1 dB增大到3.5 dB,PDL譜中兩峰值之間的波長間隔隨雙折射的增大而減小,由0.3 nm減小到0.15 nm。

圖7為PDL峰值與光柵長度之間的關(guān)系,可以看出,PDL峰值是隨著光柵長度單調(diào)遞增的,但并不是線性關(guān)系。因此,可以通過改變光柵的物理參數(shù)來實(shí)現(xiàn)靈敏度的提高。

圖7 光柵長度對PDL峰值的影響

3 結(jié)論

本文對準(zhǔn)分布式FBG傳感系統(tǒng)的PDL進(jìn)行了研究,提出了一種可應(yīng)用于FBG準(zhǔn)分布式傳感的對偏振敏感的OFDR解調(diào)方案,傳感陣列中每個FBG的偏振相關(guān)損耗參數(shù)都可以通過該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確解調(diào)。本文的OFDR解調(diào)系統(tǒng)可以非常方便地實(shí)現(xiàn)傳感陣列中FBG的尋址,且FBG陣列中單個光纖光柵的PDL譜可以通過對OFDR跟蹤到的信號進(jìn)行快速傅利葉逆變換得到,利用解調(diào)后的FBG在兩個偏振模上的反射譜和透射譜,可以獨(dú)立地得到陣列中單個FBG的PDL參數(shù)。對系統(tǒng)的原理進(jìn)行了分析,并建立了系統(tǒng)模型,研究了光柵的長度參數(shù)和雙折射量值大小對PDL的影響,結(jié)果表明,一定范圍內(nèi),雙折射大小與PDL峰值呈單調(diào)遞增關(guān)系,可以根據(jù)PDL峰值來感知雙折射的大小,為實(shí)現(xiàn)精確傳感測量提供了可能;另外,PDL峰值與光柵長度呈單調(diào)遞增關(guān)系,可以通過改變光柵的物理參數(shù)來實(shí)現(xiàn)靈敏度的提高。本文提出的方案可以為在準(zhǔn)分布FBG傳感系統(tǒng)中根據(jù)偏振相關(guān)損耗的變化實(shí)現(xiàn)對橫向應(yīng)變的準(zhǔn)確測量提供理論依據(jù)。

[1] 徐剛,梁磊,仇磊,等. 基于光纖光柵的懸臂結(jié)構(gòu)疲勞裂紋實(shí)驗(yàn)研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2016,29(9):1361-1364.

[2] 任小芳,賈棟,趙輝,等. 基于光纖Bragg光柵的古建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2015,28(1):34-38.

[3] 姜明順,孟玲,隋青美,等. 一種新穎的雙邊緣濾波光纖布拉格光柵解調(diào)技術(shù)[J]. 光電子·激光,2011,22(3):355-358.

[4] 朱珠,梁大開,孫紅兵. 基于雙長周期光纖光柵邊緣濾波的光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)[J]. 中國激光,2013(3):115-121.

[5] 周倩,寧提綱. 光纖光柵傳感器信號解調(diào)方法的研究[J]. 光通信技術(shù),2010,34(8):8-11.

[6] 何海濤,姚國珍,李保罡,等. 基于F-P濾波器的光纖光柵解調(diào)技術(shù)研究[J]. 光通信技術(shù),2010,34(6):5-7.

[7] 李營,張書練. 基于可調(diào)諧F-P濾波器的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)[J]. 激光技術(shù),2005,29(3):237-240.

[8] 余有龍,譚華耀,鍾永康. 基于干涉解調(diào)技術(shù)的光纖光柵傳感系統(tǒng)[J]. 光學(xué)學(xué)報,2001(8):987-989.

[9] 李沼云,李蘇,劉志強(qiáng),等. 光頻域反射光纖光柵分布式應(yīng)變傳感研究[J]. 光通信技術(shù),2012,36(12):33-35.

[10] 李政穎,孫文豐,王洪海. 基于光頻域反射技術(shù)的超弱反射光纖光柵傳感技術(shù)研究[J]. 光學(xué)學(xué)報,2015,35(8):64-71.

[11] Wang Y,Xu C Q. Spun FBG Sensors with Low Polarization Dependence Under Transverse Force[J]. IEEE Photonics Technology Letters,2007,19(7):477-479.

[12] Caucheteur C,Bette S,Garcia-Olcina R,et al. Transverse Strain Measurements Using the Birefringence Effect in Fiber Bragg Gratings[J]. Photonics Technology Letters IEEE,2007,19(13):966-968.

[13] 高社成,勵強(qiáng)華. 均勻光纖布拉格光柵的反射偏振相關(guān)損耗特性[J]. 光學(xué)學(xué)報,2011,31(3):44-49.

[14] 葛廷武,陸 丹,徐坤 等.光柵致雙折射引起偏振相關(guān)損耗的理論分析[J]. 中國激光,2008,35(7):1024-1028.

段苛苛(1987-)女,博士,講師。2008年于北京林業(yè)大學(xué)獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位,2014年于北京交通大學(xué)獲工學(xué)博士學(xué)位。現(xiàn)任遼寧大學(xué)信息學(xué)院講師,主要研究方向?yàn)閭鞲衅鲬?yīng)用技術(shù),自動檢測與控制技術(shù)。

A Polarization Sensitive Demodulation Scheme Based on Optical FrequencyDomain Reflectometry in Fiber Bragg Grating Sensing System*

DUAN Keke*,SHI Shuli

(School of Information,Liaoning University,Shenyang 110036,China)

In order to solve the problem of transverse strain measurement in the Fiber Bragg Grating sensing system,a polarization sensitive demodulation scheme based on optical frequency domain reflectometry technique in quasi-distributed Fiber Bragg Grating sensing system is proposed,the information of transverse strain can be provided by tracking the Polarization Dependent Loss of the sensing system. The polarization characteristics of the uniform Fiber Bragg Grating in a quasi-distributed manner and the principle of the polarization sensitive demodulation system are analyzed,and the superiority of the method in the measurement of transverse strain is discussed in this paper. The spectral evolution of polarization dependent loss of the sensing system as a function of grating length and the birefringence is studied. Simulation results show that the proposed scheme can provide theoretical basis for the accurate measurement of transverse strain in a quasi-distributed Fiber Bragg Grating sensing system.

Fiber Bragg Grating;quasi-distributed sensing;optical frequency domain reflectometry;Polarization Dependent Loss

項(xiàng)目來源:遼寧大學(xué)科研基金(科技類)項(xiàng)目(LDQN2015002)

2016-12-31 修改日期:2017-02-23

TP212.9;TN29

A

1004-1699(2017)07-1011-06

C:7230E;4125

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.07.007