基于光纤光栅的边缘滤波动态解调技术

基于光纤光栅的边缘滤波动态解调技术 Edge Filter Dynamic Demodulation Method Based on Filter Bragg

Grating

摘要：本文阐述了基于光纤光栅的边缘滤波动态解调技术的研究。初步实验表明：解调仪适合传感FBG 存在大幅度静态波长变化时，对微幅度动态波长变化的检测，动态波长检测范围分辨率为Hz pm 007.0。

上电时，可调滤波器具有对中心波长为1295.5nm ～1307.5nm 范围光纤光栅自动跟踪能力。 关键词：光纤传感器 光纤光栅 动态应变测量 Abstract ：We report Edge Filter Dynamic Demodulation Method Based on Filter Bragg Grating. Initial experiments demonstrated this interrogation technique is suitable for the micro-amplitude dynamic wavelength detection existing in the large static wavelength change of the FBG , the dynamic wavelength detection resolution is Hz pm 007.0. The tunable optical filter can track the FBG center wavelength between 1295.5nm ～1307.5nm when the system powered on. Keywords: Optical fiber sensors, Fiber Bragg grating, Dynamic strain measurements

1 引言

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating ，FBG) 是最近几十年来发展最为迅速的光纤无源器件之一。它具有许多独特的优点，例如：抗干扰性(如电磁场、湿度、化学腐蚀等)强、寿命长、复用性好(如WDM 与DWDM)等。因而在光纤激光器、光纤传感器及声光调制器等方面的研制与开发日益受到重视。在光纤光栅传感技术中，探测量是以波长来调制的，因而传感器解调过程是对一个FBG 的反射波长的移动量的检测过程。研究人员已发展了多种动态范波长检测技术，诸如可调谐激光边波法[1]、锁模调制法、非平衡M —Z 干涉法。由于动态范围有限，它们无法实现传感FBG 存在大幅度静态波长漂移时，对叠加在上面的微幅度动态波长变化的检测。而基于光纤布拉格光栅的边缘动态解调技术适合传感FBG 存在大幅度静态波长变化时对微幅度动态波长的检测。该解调技术是针对光纤光栅水听器而研究的，它需要传感FBG 在承受大幅度深水静压条件下，能对微幅度水声动态压力引起的波长变化进行检测。

2 解调原理

其解调原理框图入图1所示[2]，

系统由三部分组成：光学部分，电路部分和标定实验系统部分。光学部分由宽带光源、耦合器、传感FBG ，角度调谐的法布里-珀罗(Fabre-Parot ，F-P)腔和光电探测器组成。电路部分由除法器、用于传感FBG 自动跟踪的闭环反馈系统和带通滤波放大器组成。标定实验部分由悬臂梁、砝码、激振器和动态电阻应变片组成。

图中PIN1、PIN2表示由PIN 光电二极管组成的光电探测器，LPF 、HPF(Low/High Pass Filter)分别表示低通/高通滤波器。宽带光源发出的光被传感光栅反射后进入耦合器，耦合器的出射光分为强度相等的两束，一束直接通过光电探测变成电信号，再经前置放大器和低通滤波器后作为系统的参考信号，则参考信号的表达式为[3]：可

λπ

λ∆⋅⋅⋅=2)(0R I I B R (1)

式中：B λ表示FBG 反射的中心波长，0I 为由耦合器输出反射光的光强，R 为传感光栅的反射率，λ∆为FBG 反射谱高斯函数的频谱宽度；另一束，经线性边缘滤波器，再经光电转换及放大、滤波后输出。其中该线性滤波器光谱透过率为线性函数()()0λλλ-⋅=A F ，其中A 为滤波器的斜率，λ表示输入滤波器的光波波长，0λ为滤波器的截至波长。边缘滤波器采用电压驱动，角度调谐的法布里-珀罗(Fabre-Parot ，F-P)腔。

图2 Bragg 光栅反射谱与F-P 滤波器透射谱的叠加

采用电压驱动改变F-P 腔的镜面倾斜角，间接地改变腔长来选择F-P 腔透过的波长[4]，其传输特性示意图如图4-2所示。当外界的声音振动引起传感探头上的光纤Bragg 光栅的反射波长漂移的同时，这个反射光谱与电压驱动可调法布里腔相叠加的部分将起变化，这个光信号的强弱变化将通过光电转换电路转变为更易于观测的电信号。测量该电信号变化的大小和频率就可以得知待测振动的大小和频率。经光电转换后携带了水声信号的输出信号可以表示为：

00()(S B B I I R A λλλ=⋅⋅- （2）

式中0I ，R ，B λ，0λ，λ∆与（1）式同，需要说明的是，我们需要调整F-P 腔的腔长使得其透射谱从一侧与FBG 的反射谱相叠加，同时为了使解调系统的灵敏度尽可能提高，我们需要使F-P 透射谱与FBG 反射谱相交在斜率最大的地方，这样在同等的振动下将观测到最明显的现象，得到最理想的灵敏度。这样，经过叠加后的信号与参考路光电探测后的信号相除可得：

0()()(()s B out B B R B I I A I λλλλλ==- （3） 该信号由两部分组成，一部分为静水压引起的缓变信号，一部分为水声振动引起的速变信号。缓变信号经低通滤波器（LPF ），经过一个定值反馈控制系统，自动调节F —P 腔边缘滤波器驱动电压，使F —P 腔边缘滤波器能自动跟踪静水压引起FBG 中心波长的变化，确保FBG 中心波长永远在F —P 腔边缘滤波器边缘最陡峭位置，这样F —P 腔边缘滤波器的驱动电压就可以表征传感FBG 中心波长的变化，这就是反馈自动跟踪测量。

在F —P 腔边缘滤波器对传感FBG 中心波长实现自动跟踪时，FBG 中心波长稳定保持在F —P 腔边缘滤波器边缘最陡峭位置，这时，传感FBG 的任何微小动态应变，都可以转化为随时间调制的强度信号，而且对动态、微小应变响应是非常灵敏的。这就实现了传感