高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)關(guān)鍵技術(shù)研究

摘 要：傳感器以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為依托，近年來取得了快速的發(fā)展，其中光纖光柵傳感器憑借無源、強抗電磁干擾及絕緣性質(zhì)叫廣泛應(yīng)用在電子傳感器無法涉及的惡劣環(huán)境中，受到越來越多的重視。但傳統(tǒng)的光纖光柵傳感器逐漸無法滿足現(xiàn)在的需要，特別是在多點監(jiān)測以及動態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域。本文將對高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)的關(guān)鍵技術(shù)進行簡要的介紹，希望可以為相關(guān)的研究者們提供參考性的建議，推動光纖光柵傳感器的快速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高速多通道;光纖光柵;傳感器;解調(diào)技術(shù)

引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為推動人類社會邁向智慧型社會的重要力量，得到了充足的發(fā)展，其中尤以作為物聯(lián)網(wǎng)感知重要手段的傳感器為甚，其發(fā)展日新月異。光纖光柵傳感器是一種新型傳感器，具有無源，電絕緣及強抗電磁特性，突破了傳統(tǒng)電子類傳感器的應(yīng)用場景限制，給物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來更多的可能[1]。但在航空航天、工業(yè)測量等高速動態(tài)領(lǐng)域，一要實現(xiàn)高頻傳感信息的高速解調(diào)，二要實現(xiàn)物理量的多點監(jiān)測傳統(tǒng)的光纖光柵解調(diào)儀器由于解調(diào)頻率的局限性，在動態(tài)測量領(lǐng)域未能充分發(fā)揮光纖光柵傳感器的優(yōu)點，而大多數(shù)能高速解調(diào)的系統(tǒng)往往價格昂貴且對環(huán)境變化敏感，無法滿足監(jiān)測需求。因此，開展高速多通道傳感解調(diào)技術(shù)的研究，實現(xiàn)了傳感解調(diào)系統(tǒng)，對于進一步促進光纖傳感在高頻領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的意義。

一、相關(guān)原理概述

1.1光纖光柵傳感技術(shù)原理

光纖Bragg光柵是一段經(jīng)過特殊加工處理的光纖，一般通過相位掩膜技術(shù)制作，使纖芯的折射率經(jīng)過掩膜相位調(diào)制的紫外光作用后呈現(xiàn)周期性變化。FBG的工作原理相當(dāng)于一個窄帶濾波器。當(dāng)入射光為一束寬譜光時，由于光傳輸波導(dǎo)條件的改變，其中符合FBG中心波長的光波，將被反射，不符合中心波長的光波，將從FBG透射出去。

纖芯折射率和光柵周期決定了FBG的反射中心波長。當(dāng)所處的環(huán)境溫度發(fā)生改變或者受到外界應(yīng)力時，會影響FBG的折射率和FBG的反射周期的數(shù)值產(chǎn)生變化。FBG折射率和FBG反射周期的改變一定會引起的中心波長的改變。根據(jù)FBG反射回來的中心波長的變化量可以獲得物理參量的變化情況，實現(xiàn)傳感功能。

1.2光纖光柵傳感解調(diào)技術(shù)原理

目前光纖光柵傳感解調(diào)技術(shù)的方法較多，主要有光譜儀檢測法、濾波器解調(diào)法、干涉儀解調(diào)法、可調(diào)諧光源解調(diào)法以及衍射光柵解調(diào)法[2]。

光譜儀檢測法實現(xiàn)簡單，系統(tǒng)搭建容易，通過直接觀測光譜儀上的波長變化，就能得到傳感信息，一般在科研環(huán)境下進行方案的探索與驗證。該解調(diào)方法的性能取決于光譜儀性能，一般基于衍射光柵或色散棱鏡原理的制作的光譜儀精度低解調(diào)速度慢，而優(yōu)秀的光譜儀價格昂貴、體積大、不方便工程應(yīng)用。

濾波器解調(diào)法主要是當(dāng)寬譜入射光經(jīng)過光環(huán)形器照射到FBG傳感器時，反射回來的光波，原路返回后從光環(huán)形器的尾端進入光纖F-P濾波器，濾波器的帶通范圍如果與光波波長重合，光電探測器捕獲到的透射光的光強將會達到最大值，此時通過查詢壓電陶瓷的控制電壓就可以得到電壓波長的關(guān)系，實現(xiàn)解調(diào)。

干涉儀解調(diào)法主要原理是利用光的相干特性，通過相位差計算波長值。

可調(diào)諧光源解調(diào)法主要是基于可調(diào)諧光纖激光器光源和可調(diào)諧半導(dǎo)體光源的解調(diào)技術(shù)的原理相似，通過驅(qū)動電壓控制窄帶光源在周期內(nèi)連續(xù)輸出，經(jīng)過光耦合器到達FBG傳感器，當(dāng)窄帶光源和FBG的中心波長值相似時，PD的電壓值達到最大，通過對電壓值進行處理實現(xiàn)解調(diào)。

衍射光柵解調(diào)法的原理就是利用聚光透鏡將不同波長的散色光波聚焦到在一維方向上分布著許多像素點的銦砷化鎵探測陣列上，再將點陣上輸出的電壓信號經(jīng)過電處理單元后，運用尋峰算法對離散的峰值電壓數(shù)據(jù)進行擬合，計算出光纖光柵的中心波長，實現(xiàn)解調(diào)。

二、高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1尋峰算法研究

FBG反射光的波峰峰值點可能落在兩個 Pixel之間的點，僅靠直接比較法篩選幅值最大的像素點來實現(xiàn)FBG中心波長的解調(diào)存在相當(dāng)大的誤差。因此，如何準確尋找FBG反射光波峰的峰值點是實現(xiàn)波長解調(diào)的關(guān)鍵。

對于解調(diào)系統(tǒng)的實際情況，選用更加合理的尋峰算法是十分重要的。是需要著重考慮的問題。比較各種尋峰算法各自的優(yōu)勢與局限性，其中高斯擬合法的解調(diào)精度最髙，計算速度最慢;質(zhì)心法的計算速度最快且遠遠超過髙斯擬合算法，但解調(diào)精度相對較低且容易受到波形非對稱的影響;多項式擬合法性能處于兩者之間，但計算速度與高斯擬合算法比較接近。因此，尋峰算法的選擇和改進需要克服高速解調(diào)的實時性問題并實現(xiàn)準確尋峰。

2.2光開關(guān)多路通道采集方案

光開關(guān)工作模式可分為兩種，通道自動掃描模式和單通道模式。其中單通道模式工作原理較為簡單。對于多路通道采集主要是光開關(guān)在解調(diào)模塊第n次采樣和第n+1次采樣之間發(fā)生一次通道切換，則能使光開關(guān)通道切換前后的光信號均被正確采樣。如此，可以認為在接下來的每一個采樣周期里，光開關(guān)均能成功實現(xiàn)通道的切換，使各個通道的光信號被正確采集。為了確保光開關(guān)自動掃描模式下不丟失光譜信息，需要光開關(guān)相鄰?fù)ǖ狼袚Q時間小于采樣時間。因此，光開關(guān)在多通道自動掃描的情況下，其通道切換時間與傳感解調(diào)系統(tǒng)的采樣頻率成反比關(guān)系，即采樣頻率越高，所采用的光開關(guān)的相鄰?fù)ǖ狼袚Q時間必須越小。

三、總結(jié)

總而言之，高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)的尋峰算法的優(yōu)化，將使得光纖光柵傳感解調(diào)技術(shù)變得準確且高速。光開關(guān)多路通道的切換時間的優(yōu)化將會實現(xiàn)多通道自動掃描功能的實現(xiàn)，讓光纖光柵傳感器更進一步的快速發(fā)展。

參考文獻：

[1]王憲楠， 劉欽臣. 光電技術(shù)在濕度傳感器中的應(yīng)用研究[J]. 科學(xué)與財富， 2018， 000（021）：141.

[2]王奇. 光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中通信接口技術(shù)研究[D]. 武漢理工大學(xué).

作者簡介：

劉笑東 ?男、1977 ?回族 ?籍貫：天津市 學(xué)歷：大學(xué)本科 ?職稱：工程師 ?主要研究方向：光纖 ?單位名稱：中國電子科技集團公司第四十六研究所