分布式光纤光栅解调系统的设计与实现

方炜炜1，刘尔2，张翠2
(1北京信息科技大学  100085 ；2武汉理工大学光纤传感重点实验基地   430070)

                  
摘要    研制出一种新型的分布式光纤布拉格光栅解调系统，利用计算机并口驱动光纤光栅解调器对传感信号进行解调。本文讨论了系统的解调原理、系统的组成结构和性能指标。
关键词   传感 光纤布拉格光栅 解调
中图分类号TP212.14 文献标识码 A

             Design of Distributed FBG demodulation system
Abstract    A new kind of distributed FBG demodulation system is reported. The sensing signal is demodulated by the  fiber grating demodulator in terms of computer parallel bus. In this paper, the demodulation principle ,structure and properties in the system are discussed.
Key words   sensor   FBG  demodulation

1．引言
光纤布拉格光栅(FBG)是国际上新兴的一种在光纤通讯、光纤传感等光电子处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。当前FBG的制作与应用研究成为世界各国光纤技术研究的热点和重点。作为传感元件，光纤光栅将被感测信息转化为其反射波长的移动，即波长编码，因而不受光源功率波动和系统损耗的影响。另外，光纤光栅具有可靠性好、抗电磁干扰、抗腐蚀等特点，易于将多个光纤光栅串联在一根光纤上构成光纤光栅阵列，实现分布式传感，这是其他传感元件所不及的。FBG传感器的关键就在于精确的检测Bragg反射波长的微小移动，即对波长编码信号进行解调。利用高精度的光谱分析仪可以达到这一目的，但由于其体积庞大，价格昂贵，很难用于实际应用中。因而开发出高精度、低成本的FBG解调器是将FBG传感器产业化的关键。武汉理工大学光纤传感重点实验基地经过多年努力，自主研发出一种成本低、新型的分布式光纤布拉格光栅解调系统，本文将对该系统的设计原理和方案做详细地阐述。

2. 光纤布拉格光栅的解调原理
FBG光栅是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术形成的全新光纤型FBG光栅。成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生FBG光栅效应。这种光栅的基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器。
FBG光栅解调系统的解调原理是：外界测量加在传感头FBG上，根据光纤耦合模理论，当一宽光谱光源（如光栅原理图）注入光纤，将产生模式耦合， FBG光栅将反射回一个中心波长为布喇格波长的窄带光波，其布喇格波长为
        

其中 是光栅周期， 是纤芯的有效折射率。 和 均受外界环境的影响（如温度、应变），从而将导致FBG波长的改变。例如当沿光纤光栅轴向施加应力时，光纤产生应变，光栅的布拉格波长发生漂移，这就是光纤光栅的应变效应,应变效应可表示为：
                

这里 是由于应变效应光栅布拉格波长所产生的漂移， 是光栅的长度， 。任何对光栅的激励影响如温度或应变，都将导致FBG波长的改变，这个改变可以从光栅的反射光谱中检测出来，并且将这个改变的布拉格波长与以前没受激励影响时的布拉格波长进行比较，可以测定光栅受激励程度，然后通过标定漂移，进而通过计算机系统的计算和分析，可以得到不同点上所受到的压力和应变的大小。

分布式光纤光栅解调系统则是在一根传感光纤上制作许多个布拉格光栅，每个光栅的工作波长相互分开，经3dB耦合器取出反射光后，用波长探测解调系统同时对多个光栅的波长偏移进行测量，从而检测出相应被测量的大小和空间分布。

3．解调系统的组成与实现
我们所设计的分布式FBG解调系统在一根光纤中串接多个FBG传感器S1,S2,S3……Sn(在目前系统设计参数下n可达30)，宽带光源照射光纤时，每一个FBG反射回一个不同布拉格波长的窄带光波。任何对光纤光栅的激励影响如温度或应变，都将导致这个光纤光栅布拉格波长的改变。分布式光纤光栅解调系统通过测量各测试点光纤光栅传感器反射光波长的精细变化来测量各点的待测参量的变化。本解调系统用耦合器导引光纤光栅反射光进入可调谐窄带光纤F-P滤波器，通过电控压电陶瓷改变滤波器中F-P的腔长来改变 F-P滤波器的导通频带。在调谐控制信号的作用下，光纤F-P滤波器的导通频带扫描整个光栅反射光光谱。由于光纤F-P滤波器的导通频带很窄，当光纤F-P滤波器的导通中心波长与某一光纤光栅的
布拉格波长相等时，有且仅有一个光纤光栅的反射光通过光纤F-P滤波器进入到光电探测器，光电探测器将这一光纤光栅的反射光变换成电信号, 这个信号的峰顶对应于从这一光纤光栅反射回的波长。当某个被测FBG例如S2在某时刻的被测物理量如温度或者是应变发生改变（如图三），相应的反射FBG波长发生改变，检测出的反射波长的改变对应被测物理量的变化。通过这种解调方式，此解调系统能以几百Hz频率甚至几 kHz的频率进行扫描，在可调谐 F-P 滤波器的每个扫描周期中，所有光纤光栅传感器的布拉格波长能得到快速测定。此解调系统可应用于各类分布式光纤光栅传感系统中。

3．1解调系统硬件设计
系统硬件由以下5个组成部分：
⑴宽带光源组件：发光二极管LED。
⑵光纤波分复用器：1×3 光纤耦合器（DBC）和可调谐光滤波器组成。
⑶光电转换器件：PIN光电二极管和放大器组成。
⑷信号采集和数据处理系统：由计算机并口双通道进行高速采集，预装在主机上的传感器系统软件进行数据处理。
⑸光纤传感探头：裸光纤外层包以塑料护套，以防止外界硬物对光纤的损伤。
由计算机并口发出脉冲，启动发光二极管LED的脉冲驱动电流源工作，驱动LED工作。LED出光经过耦合支传感光纤，传感光纤放在待测应变场中。来自传感光纤的后向散射光再经过耦合器耦合到接受通道，由滤波器进行滤波，光电探测器进行光电转换，放大器进行放大。计算机通过并口对数字信号进行双通道采集，并进行数据处理，将测量结果显示在计算机屏幕上，并显示波长、应变的变化曲线图，亦可由打印机打印数据结果和曲线图。

3．2 解调系统软件设计
本系统的软件是用面向对象语言Visual Basic编制的 ，可在win9x及winXP上运行。友好的用户界面为用户提供了友好的人机对话环境，用户可根据工作要求选择主界面上的菜单，确定采样速率、循环采样次数、测量对象、绘图类型、存储数据等。软件运行后，可将测量出来的各点光栅的每一时刻的波长值、应变值显示在主界面，并动态地绘制出波长和应变的变化曲线图。
 

（图五 软件主界面）
软件的主要功能包含了9个功能模块：
⑴采集速率的测试及调节模块：由用户通过移动选择菜单中的滚动条来选择采集速率，主界面显示出软件的当前采集数据的速率。
⑵数据采集模块：通过计算机并口双通道不断地自动进行数据采集，并按用户选择的循环采集次数和平滑点数求其平均值，使得采集的数据更准确。
⑶数据存储和读取模块：可按用户要求从任一时刻开始将采集的数据并行存储到*.txt中，并将计算出来的波长值、应变值存储在*.txt中，或在运行时从*.txt读取标定数据以便进行数据处理。
⑷数据处理及数据显示模块：根据做实验得出的标定数据（中心波长偏移量与工作波长的对应关系和工作波长与应变的对应关系）对采集数据进行计算处理，可由两点式和截距式两种方法求出受应变影响下的波长值和应变值，并在主界面上显示出各点每时刻的光栅的波长值、应变值。
⑸波长和应变的曲线图的绘制模块：实时地绘制出波长和应变的曲线图。当鼠标放在选定的波长或应变曲线图象上，该图象就会自动放大便于用户查看曲线变化趋势。
⑹数据回放模块：当停止采集数据后，用户可从主界面菜单选择数据回放功能，软件则将先前采集的波长、应变曲线图再次显示出来。
⑺扫描光栅图的绘制模块：该模块对波长进行扫描寻址并在主界面上动态地显示出当前工作光栅和参考光栅的条数和工作光栅中心波长相对于参考光栅中心波长的偏移位置。
⑻打印模块：将计算出来的波长值、应变值及其波长和应变曲线图打印出来。
⑼退出模块：退出软件，返回操作系统。  

4.系统的主要技术性能指标
2003年4月由湖北省科学技术厅主持专家鉴定会正式通过鉴定，鉴定结论为：“该系统测量精确、性能可靠，是新一代的非电感应新产品，填补了国内空白，并达到国际先进水平。建议扩大实验应用范围，尽快实现工业化生产。”
系统的主要特性如下：
应变测量范围：  0～ 8000με 
频率响应：      0～ 50Hz 
灵敏度：         1με
扫描速度：         1.5s
长期稳定性：      ±5με
传输距离：         5km

5．结束语
由于本系统的传感量是它反射波长的位移量，且该位移量与被测量对象应变变化呈线形关系，对系统中光源强度起伏、光纤损耗、光波相位、偏振等均不敏感，从根本上克服了强度干扰这一最为突出的问题。通过一根数据总线多只光纤光栅实现了对物理量的分布式测量，又结合了采用微机并口双通道采集数据和信号处理软件的方案能较好的处理PIN输出的模拟信号，得到准确的应变场的空间分布状态和时间变化的信息。
本系统是集光机电和计算机一体化的分布式光纤解调系统，信噪比高，其稳定性、重复性和可靠性都很好，应变可测范围大，制作成本低，适合在恶劣环境下使用。现正与企业合作批量生产分布式光纤光栅解调系统。

参考文献：
1. 刘云启,刘志国,郭转运等.光纤光栅传感器的调谐滤波检测技术[Ｊ].光学学报,2001,21(1):88-92.
2. 秦子雄,曾庆科,冯德军等.光网络中光纤光栅构成的波长分插复用器理论及进展[Ｊ].物理学进展,2000,20(2):182-197.
3. 余有龙,刘志国,董孝义等.基于悬臂梁的光纤光栅线性调谐[Ｊ].光学学报,1999,19(5):621-625.