光纤光栅传感信号的解调问题

光纤传感器是在 20 世纪 70 年代光纤通信技术飞速发展的 基础上发展起来的一种崭新的技术。光纤传感器对声场、电场、 压力、振动、温度、加速度等许多物理量敏感［1］。光纤由 SiO2 玻璃 制成，结构简单、制造工艺成熟，用光纤作为检测器件构成的传 感器具有抗干扰能力强、绝缘性好、耐高温、体积小、灵敏度高、 可根据需要做成各种形状等优点［2］。另外，由于激光在光纤中传 输损耗低，更便于远距离测量。
光纤光栅传感器是光纤传感器的主要类型，它对激光的反 射特性随温度、受力情况的改变发生明显变化，利用这种特性， 制成的温度、应力等传感器具有许多独特的技术优势和应用前 景。
1 光纤光栅传感器原理
光纤光栅是一段通过特殊处理的光纤。它是利用光纤材料 的光敏特性，在光纤的纤芯处制造一段折射率沿其长度周期性 变化的区域，从而构成光纤光栅。常用的光纤光栅传感器由短周 期光纤布拉格光栅（FBG）构成。光纤布拉格光栅的传感原理简单 地说可以表示为：当入射光经过布拉格光栅区时，各个波长的光 在光栅的不同深度被反射，满足布拉格条件的光被反射回入射 端，其波长为 λB，其余光透射过光栅，见图 1。
摘 要：阐述了光纤光栅传感器的基本工作原理，通过框图介绍了几种常见光栅传感
信号解调方法的基本原理、性能和特点，对各解调方法的优、缺点进行了分析比较，提
出了今后还需研究的问题，对促进光纤光栅解调器的国产化、产业化具有一定意义。
关键词：光纤光栅传感器；传感信号；信号解调
中图分类号：TN929.11
文献标识码：A
射波长。但是高精度的 F－P 滤波器成本太高，滤波损耗大［5］。
2.3 非平衡 M－Z 干涉仪法
干涉法是利用激光的干涉现象，通过干涉仪将反射光的波
长变化量转化为易于检测的光参量（如相位、强度等）来进行检
测。最常用的干涉法是非平衡 M－Z 干涉仪法。这种方法是将 FBG
的反射光波长变化量 △λ 转换为相位差 △Φ，再进行检测。其工
科技情报开发与经济
SCI-TECH INFORMATION DEVELOPMENT ＆ ECONOMY
2012 年 第 22 卷 第 24 期
文章编号：1005－6033（2012）24－0122-03
收稿日期：2012－10－08
浅谈光纤光栅传感信号的解调问题
常广志
（太原理工大学，山西太原，030024）
作原理见图 4。
宽带 激光器
3 dB 耦合器 FBG1 FBG2 FBG3
非平衡 MZT M-Z
干涉仪
光检 测器
带通 滤波器
数据 处理
使信号光源的相位与反射光的相位相同。非平衡 M－Z 干涉仪两
臂长度不一样，使两束光产生 π 的相位差，它们相互干涉后，输
出光强几乎为零。当 FBG 传感器中心波长 λB 发生改变时，干涉
适合于研究院所使用，工程实践中很难实现。如何通过简单实用
的设备、巧妙的方法，实现对光纤光栅传感信号高分辨力的解
调，是现在研究的热点之一。笔者从目前常用的解调方法入手，
进行比较分析，希望寻找比较实用的改进方法，以促进实现 FBG
解调器的国产化和产业化。
2.1 可调谐激光扫描法
用压电晶体可调谐窄带激光器做光源，当压电体受到信号
制器产生的三角比作用于压电晶体，使可调谐滤波器工作波长
周期变化。当可调谐 F－P 滤波器的中心波长和光纤光栅 FBG 传
感器的中心波长相等时，则可让 FBG 传感器的反射光 λB 通过滤 波器。这样光检测器检测到较强的光功率信号，经放大器放大，
控制数据采集器记录当前 F－P 滤波器的谐振波长，即得到 FBG
FBG1 FBG2 FBG3
图 2 可调谐激光扫描法
由于激光信号较强，此方法具有较高的信噪比和分辨率。但 是，由于光源光功率的时间漂移和随波长变化的起伏特性，光检 测器存在着功率的起伏，这种偏差必然会引起布拉格反射光峰 值的变化，产生干扰，影响光检测器对峰值的判断，使中心波长
常广志 浅谈光纤光栅传感信号的解调问题
解调系统通过检测 λB 的变化就可以间接实现对被Βιβλιοθήκη Baidu物理量 的测量。所以光纤光栅传感器的关键技术是其反射谱信号的解 调问题。
2 布拉格光纤传感信号的解调方法
解调 FBG 传感信号最直接的方法是使用单色仪、光谱仪等
设备测量布拉格光栅反射回来的光波谱，但这种方法要用到的
单色仪、光谱仪是实验仪器，操作复杂、体积庞大、价格昂贵，仅
驱动时，激光波长在一定范围内周期变化，耦合进光纤后，光纤
光栅传感器作为光纤激光器的一个反射端，把符合布拉格条件
的光波进行反射，此时在光电检测器处就接收到相应波长光的
一个峰值，此时可调谐窄带激光器的输出波长就是 FBG 传感器
当前的中心波长 λB。其系统结构见图 2。
控制器
可调谐 激光器
光检测器
耦合器
传感器的中心波长。其原理框图见图 3。
宽带 激光器
3 dB 耦合器 FBG1 FBG2 FBG3
可调 F-P 滤波器
F-P 触发信号 控制器
光检测器
光信号放大器
数据采集
输出
图 3 可调谐 F－P 滤波器法
这种解调方法适合对静态参数的测量，在 F－P 滤波器调谐
范围内均可接收信号，测量范围宽，且可同时测量多个 FBG 的反
P
P
λ 入射光
λB
λ
出射光
反射光 λB
Λ
图 1 光纤布拉格光栅原理 满足布拉格条件的波长为： λB=2neffΛ 式中，λB 为 FBG 反射光的中心波长（特征波长）；Λ 为光栅周 期，neff 为布拉格波长上的有效折射率。neff 和 Λ 均随被测量的变
122
化而改变，导致 FBG 反射光 λB 发生变化，通过检测解调 λB，就可 以得出被测的物理量。将改变后的 λB 与原始 λB 进行比较，就可 以确定被测物理量的变化程度［3］。
本刊 E-mail:bjb＠sxinfo．net 科技论坛
的判定出现偏差。因此，可调谐激光扫描法的测量范围小和稳定
性比较差，且压电体需要一定的响应时间，从而限制了它的实际
应用［4］。
2.2 可调谐 F－P 滤波器法
宽带光源发出的光经过光隔离器进入 FBG。经布拉格光栅
反射的光经过耦合器进入可调谐 F－P 滤波器。F－P 触发信号控
光强输出不为零，光检测器产生的信号改变干涉仪臂长，使两束
光的相位差重新回到 π。干涉仪臂长的该变量直接反映 △Φ 的大