武汉理工大学

高等光学课程报告

基于F-P激光器的多光栅复用解调系统

学院（系）：       理学院        

专业班级：      理研1503班     

学生姓名：        李璐璐        

指导教师：        郜洪云        

目  录

目  录

摘  要

Abstract

1 绪论...............................................................................................................................................

1.1 研究目的及意义................................................................................................................

1.2 光纤光栅传感器应用........................................................................................................

1.2.1 土木及水利工程中的应用.....................................................................................

1.2.2 航空航天中的应用.................................................................................................

1.2.3 船舶航运业中的应用.............................................................................................

1.2.4 电力工业中的应用.................................................................................................

1.2.5 医学中的应用.........................................................................................................

2 光纤光栅传感机理及解调技术...................................................................................................

2.1 光纤光栅传感原理............................................................................................................

2.2 光纤光栅解调技术............................................................................................................

2.2.1 线性解调.................................................................................................................

2.2.2 可调谐F-P滤波器解调法.......................................................................................

2.2.3 匹配光纤光栅解调法.............................................................................................

2.2.4 干涉解调.................................................................................................................

3 低成本光纤光栅解调系统...........................................................................................................

3.1 解调系统框架....................................................................................................................

3.2 解调系统基本原理............................................................................................................

3.3 低成本方案实现................................................................................................................

3.4 基于F-P激光器的多光栅解调系统..................................................................................

4 光纤光栅复用技术.......................................................................................................................

4.1 光波分复用技术................................................................................................................

4.2 光时分复用技术................................................................................................................

4.3 光空分复用技术................................................................................................................

5 光栅传感实验...............................................................................................................................

6 光空分复用技术实验及展望

参考文献

摘  要

光纤光栅传感器是近年来研究较多的一种新型传感器，它以极高的灵敏度和精确度，本征安全，抗电磁干扰，高绝缘强度，耐高温，耐腐蚀，质量轻，体积小，柔韧，宽频带而著称。本文在广泛分析现有光栅解调系统的基础上提出了一种基于F-P的光纤光栅低成本解调系统，利用F-P的滤波曲线实现波长偏移量的解调，并采用成本较低的FP激光器作为光源，经理论分析，合适选择FP激光器中心波长及线宽，不但大大缩减了解调成本，解调灵敏度也能得到提高。通过温度传感实验验证系统可行性，实验结果表明：该传感器在15˚C-50˚C范围内，最小温度分辨力达0.004 ˚C，即对应波长解调分辨力约为0.04 。

本文分为6个部分

 第一部分简要介绍了研究目的及意义、光纤光栅传感器的应用及光纤光栅传感器的现状。

 第二部分介绍了光纤光栅的传感机理，并分析讨论了现有光栅解调系统的优缺点。

 第三部分详细分析介绍了所设计解调系统原理及各相应处理模块结构和流程。在分析已有光栅解调系统的基础上，提出了以FP激光器为光源的低成本解调系统，使该传感器的走向实用化和工程化成为可能。

 第四部分介绍了光纤光栅复用技术。

 第五部分介绍了采用温度完成的传感系统联机实验，并对实验结果进行了分析讨论。

 第六部分介绍了光空分复用技术实验，并对研究工作进行了归纳总结并提出了日后需改进的工作方向。

关键词：光纤光栅传感器；光栅解调； FP激光器

Abstract

Fiber grating sensor is one of the most interested sensors being studied, it has many advantages as high sensitivity and precision, safe latent, anti-electric and anti-magnetic interference, high insulated, endurable of high temperature, endurable of eroding, low mass, low volume, flexible, broad frequency. Based on analysis of the reported grating demodulation methods, a low-cost fiber grating demodulation system is presented, by making use of the F-P filter edges to achieve the wavelength shift and employing the low-cost FP laser as light source. Theoretical analysis indicates that appropriate choice of FP laser center wavelength and line with, not only reduces the demodulation cost, but also improves system sensitivity. Temperature sensing experiment is done to verify analysis. Experimental results demonstrate a minimum temperature resolution of 0.004 ˚C, corresponding to about 0.04 pm wavelength resolution within a measuring range of 15 ˚C~50 ˚C.

This paper is divided into 6 sections:

In section 1, this paper briefly introduces purpose and significance of the research, and the application and present status of fiber grating sensor.

 In section 2, fiber grating sensing mechanism is described in detail and existed grating demodulation methods are also discussed.

 System design and demodulation principle are detailed in section 3. Based on analysis of the reported grating demodulation methods, a low-cost fiber grating demodulation system is presented.

 In section 4, fiber grating sensing multiplexing technique is described.

 Temperature sensing experiment and discussion on experimental results are detailed in section 5.

 In section 6, light air separation reuse technology experiment is described.Conclusion and future improvements of the design are also in section 6.

Key Words：fiber grating sensor；fiber grating demodulation；FP laser

1    绪论

1.1 研究目的及意义

中国目前拥有公路桥梁23000余座，铁路桥梁150000余座。它与高速公路以及铁路建设一起，占国家建设投资总额的60％以上。一般来说，钢桥正常使用10年、混凝土桥正常使用30年以后都需要进行大规模的整修，但是我国40％的桥梁使用年限都已超过了25年。一旦这些大型的工程结构出现安全问题，后果将不堪设想。因此这些老桥和在建的新桥都需要安装安全监测预警系统。再例如石化工程领域，仅仅是全国各行业拥有的各类油罐就将近50万座，为了国家财产安全，都需要安装火灾安全报警系统，其市场需求相当可观。传统的电式传感器作为一种发展成熟的技术，在某些领域已经可以完全解决监控的需求。但是在很多环境下，尤其是强电磁辐射、易燃易爆等特殊环境中，电式传感器不但不能进行正确的监控，而且自身可能作为一种安全隐患存在。另外在一些复杂的环境中，电式传感器不能很好地解决它复用困难，存在多参量传感相互串扰等缺陷[1~3]。

光纤光栅传感器作为光纤传感技术中的一种新发展，以其抗电磁干扰、高电磁绝缘性、本质安全和可成网等诸多优点，在国外得到极大的重视。在美国，比较有代表性的是美国海军研究实验室(Naval Research Division)和美国联合技术研究中心(Unite Research center)，他们采用了干涉方法对动态应变变量的测量达到6×10-3 με/Hz分辨率，是目前见到的分辨率最高的报道。此外，在某些大学，如康涅狄格大学、弗吉尼亚技术学院等在这方面取得了不少的成绩。相形之下，英国的南安普顿大学、肯特大学、阿斯顿大学及其其它一些研究机构在光纤光栅的传感应用领域则另有特色。他们除了对光纤光栅的单参量测量能力进行研究以外，对温度、应变[5]双参量同时测量的研究也投入了很大的精力，报道了很多这方面工作的研究结果。所有报道中最高的双参量分辨率达到10 με、±5˚C，这为进一步发展该技术己奠定了良好的基础。此外，澳大利亚、瑞士、德国等许多实验室也对光纤光栅的传感应用进行了许多研究，并取得了一定的成果。

我国对光纤光栅传感器的研究相对晚一些, 目前我国的光纤传感器的产业化和大规模推广应用方面还远不能满足国名经济发展的需求。限制光纤光栅传感器应用的最主要障碍是传感信号的解调, 正在研究的解调方法很多，大体可以分为两类：滤波法和干涉法。其中滤波法主要有：线性解调法、可调谐F-P滤波器解调法及匹配光栅解调法；干涉法主要有：Sagnac干涉仪、非平衡Michelson干涉仪及非平衡M-Z干涉仪解调法。上述的解调方法在实验室都能实现，但从实验室走向实际应用还有一些技术不够成熟，主要问题有：

1) 现有的光栅解调方法需要相当高的成本，是光纤传感器还没得到广泛应用的最重要的原因之一；

2）如何实现大范围、高精度、快速实时测量;

3）如何正确地分辨光栅波长变化是由温度变化引起的还是由应力产生的应变引起的。

有效地解决上述问题对于实现廉价、稳定、高分辨率、大测量范围、多光栅复用的传感系统具有重要意义。DWDM 技术是光纤通信研究开发最广泛和深入的一种复用技术, 近年来, DWDM 技术已日趋成熟并且大量商用, 90 年代中期以后, 国际上已兴起了研发、试验DWDM 全光通信网的高潮。若将当前在光纤通信中流行的DWDM 技术应用于光纤光栅传感系统中, 设计一种采用DWDM 器件的低成本光栅解调系统, 将为光纤光栅传感应用的实用化推广提供一定的条件。

1.2 光纤光栅传感器应用

1.2.1            土木及水利工程中的应用

力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康状况监测是非常重要的。通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及健康状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。 另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。

1)     在桥梁安全监测中的应用

加拿大卡尔加里附近的Beddington Trail 大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993 年)，16 个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上，对桥梁结构进行长期监测，而这在以前被认为是不可能。德国德累斯顿附近A4高速公路上有一座跨度72 m的预应力混凝土桥， 德累斯顿大学的Meis-sner 等人将布拉格光栅埋入桥的混凝土棱柱中，测量荷载下的基本线性响应，并且用常规的应变测量仪器作了对比试验，证实了光纤光栅传感器的应用可行性[5]。瑞士应力分析实验室和美国海军研究实验室，在瑞士洛桑附近的V aux 箱形梁高架桥的建造过程中， 使用了32个光纤光栅传感器对箱形梁被推拉时的准静态应变进行了监测，32个光纤光栅分布于箱形梁的不同位置、用扫描法-泊系统进行信号解调。

2)     在混凝土梁应变监测中的应用

1989年, 美国Brown University 的Mendez 等人首先提出把光纤传感器埋入混凝土建筑和结构中, 并描述了实际应用中这一研究领域的一些基本设想。此后，美国、英国、加拿大、日本等国家的大学、研究机构投入了很大力量研究光纤传感器在智能混凝土结构中的应用。

2003年9月，上海紫珊光电技术有限公司自主研发的光纤光栅传感应变计埋设于混凝土中对北京中关村某标志性建筑进行静态应变测量。上海紫珊光电技术有限公司自主研发的光线光栅应变计具有精度高（一般为1με，如果是小量程的应变测量，可以达到0.5με）、可靠性高、安装方式多样、使用方便等优点，成功应用于北京中关村某标志性建筑中，布设在钢梁上并埋设在混凝土中对支柱钢梁进行施工过程监测。

1.2.2            航空航天中的应用

智能材料与结构的研究起源于20世纪80年代的航空航天领域。1979年，美国国家宇航局（NASA）创始了一项光纤机敏结构与蒙皮计划，首次将光纤传感器埋入先进聚合物复合材料蒙皮中，用以监控复合材料应变与温度。先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好，而且可以减轻船体或航天器的重量，对于快速航运或飞行具有重要意义，因此复合材料越来越多地被用于制造航空航海工具(如飞机的机翼)。另外，为了监测一架飞行器的应变、温度、振动，起落驾驶状态、超声波场和加速度情况，通常需要100多个传感器，故传感器的重量要尽量轻，尺寸尽量小，因此最灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。另外，实际上飞机的复合材料中存在两个方向的应变，嵌人材料中的光纤光栅传感器是实现多点多轴向应变和 温度测量的理想智能元件。美国国家航空和宇宙航行局对光纤光栅传感器的应用非常重视, 他们在航天飞机X-33上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感网络， 对航天飞机进行实时的健康监测。X-33是一架原型机, 设计用来作“国际空间站”的往返飞行。BlueRoadResearch 联合美国海军空战中心和波音幻影工作组, 使用BIueRoadResearch 生产的光纤光栅传感器对飞机的粘和接头完好性进行了评估。以前这种评估所常用的方法, 如超声波和X 射线, 非常耗时而且信号难以处理。美国海军研究实验室将光纤光栅传感器固定在飞机轻型天线反射器的不同位置, 测量纵向应变、弯曲和扭矩。

1.2.3            船舶航运业中的应用

美国海军实验室对光纤光栅传感技术[6]非常重视，已开发出用于多点应力测量的光纤光栅传感技术，这些结构包括桥梁、大坝、船体甲板、太空船和飞机。在美国海军的资助下，开发有船舶结构健康监测系统，已制成用于美国海军舰队结构健康监测的低成本光纤网络，这个系统基于商用光纤光栅和通信技术；拟采用光纤光栅传感技术和混合空间/波分复用技术实时测量拖拽阵列的三维形状，这种技术对阵列测量的改善将超过现有阵列估算技术一个数量级，从而可增强海军的战术优势。德国Daimler ChryslerAerospace(DASA)机测试中的M.Tmtzel等将光纤光栅粘贴于当时最新研制的碳纤维增强塑料(CFPR)机翼的表面，实现了对机翼疲劳特性的健康监测[6]。

1.2.4            电力工业中的应用

根据对电力事故分析，电缆故障引起的火灾导致大面积电缆烧损，造成被迫停机，短时间内无法恢复生产，造成重大经济损失。通过事故的分析，引起电缆沟内火灾发生的直接原因是电缆中间头制作质量不良、压接头不紧、接触电阻过大，长期运行所造成的电缆头过热烧穿绝缘，最后导致电缆沟内火灾的发生。从电缆头或变电设备的过热到事故的发生，其发展速度比较缓慢、时间较长，通过电缆/设备温度在线监测系统完全可以防止、杜绝此类事故的发生。

在电力工业中，电流转换器可把电流变化转化为电压变化，电压变化可使压电陶瓷(PZT)产生形变，而利用贴于PZT上的光纤光栅的波长漂移[7]，很容易得知其形变，进而测知电流强度。这是一种较为廉价的方法，并且不需要复杂的电隔离。另外，由大雪等对电线施加的过量的压力可能会引发危险事件，因此在线检测电线压力非常重要，特别是对于那些不易检测到的山区电线。光纤光栅传感器可测电线的载重量，其原理为把载重量的变化转化为紧贴电线的金属板所受应力的变化，这一应力变化即可被粘于金属板上的光纤光栅传感器探测到。这是利用光纤光栅传感器实现远距离恶劣环境下测量的实例，在这种情况下，相邻光栅的间距较大，故不需快速调制和解调。

1.2.5            医学中的应用

医学中用的传感器多为电子传感器，它对许多内科手术是不适用的，尤其是在高微波(辐射)频率、超声波场或激光辐射的过高热治疗中。巴西的Wehrle 等人用弹性胶带将光纤光栅应变传感器固定在病人的胸部, 通过胸腔的变化，测量呼吸过程的频谱。这种测量可用在电致人工呼吸中，这时病人胸部装有高压电极，通过高压放电刺激隔膜神经帮助病人呼吸。用光纤光栅传感器控制高压放电的触发，监视病人呼吸情况，有利于改善电致人工呼吸的效果。如果用常规的电类传感器会受到高压放电的干扰。

2    光纤光栅传感机理及解调技术

2.1 光纤光栅传感原理

 根据光纤耦合模理论，当宽带光在FBG中传输时，产生模式耦合，满足Bragg条件的光被反射，基于光纤光栅的传感过程就是通过外界参量对布拉格中心波长λB的调制来获取传感信息，其数学表达式[8,9]为：

                               （2-1）

式中：为纤芯的有效折射率，是光栅周期，和都受外界环境影响而发生变化和，导致符合Bragg条件的反射波长发生漂移，由Bragg条件可得：

                         （2-2）

该式表明该式表明反射波长偏移与光纤芯的有效折射率和光栅常数的变化有关，当光纤光栅受到轴向应力作用或温度的变化影响时，和都会发生变化。应力作用下的光弹效应导致折射率变化，形变使光栅常数变化；温度导致的光热效应使有效折射率改变，而热膨胀系数致使光栅常数改变。先忽略温度和应力的交叉敏感，考察仅在单一的温度作用下的传感特性：

     （2-3）

式中:代表光纤光栅折射率温度系数，用表示；代表热膨胀引起的弹光效应；代表由于膨胀导致光纤芯径变化而产生的波导效应；代表光纤的线性热膨胀系数，用代表。这样上式可改写为如下形式：

              （2-4）

在光栅材料确定后，式（2-4）右端基本上为一与材料系数相关的常数，这就从理论上保证了采用光纤光栅作为温度传感器可以得到很好的输出线性。对于熔融石英光纤，其折射率温度系数=0.68×10-5/˚C，线性热膨胀系数=5.5×10-7/˚C，可得到没有波导效应的光纤光栅相对温度灵敏度系数为0.6965×10-5/˚C ，对于1550 μm波长可得温度变化引起的波长漂移为10.8 pm/ ˚C。对于波导效应，可以明显地看出它对温度灵敏度的影响极其微弱，因为线性热膨胀系数较折射率温度系数要小两个数量级，再加之波导效应本身对波长漂移的影响又比弹光效应小许多，故在分析光纤光栅温度灵敏度系数时可以完全忽略波导效应产生的影响。

2.2 光纤光栅解调技术

2.2.1            线性解调

线性解调是指解调系统函数随的变化具有线性函数的特征，由此设计的解调系统称之为线性解调系统，其输出光强的变化与之间成正比关系[4]，即：

                              （2-5）

图1和图2为两种线性解调系统。图1中宽带光源或可调调谐光源经过3dB耦合器传输到传感光栅，其反射回携带外界场的信息经过3dB耦合器分成两路，一路光波经过线性滤波器，另一路经过光电检测器，这样可以消除光源和光纤连接引起的光强波动影响。图2使用WDM光纤耦合器代替图1中大体积的滤波器，图1系统实现价格低，响应快，容易使用，缺点是需要大体积单元保证测量准确性，图2系统克服了使用大体积滤波器的不足，提供了结构紧凑、便携灵巧的传感解调系统实现途径，但它的滤波曲线斜率不大，灵敏度不高。

图1 大体积线性解调系

2.2.2            可调谐F-P滤波器解调法

图2 可调F-P腔解调系统

F-P腔作为一个窄带滤波器，在一定波长范围内，若以平行光入射到F-P腔，则只有满足相干条件的某些特定波长才发生干涉，产生相干极大。利用F-P腔的这个特性可以对FBG传感器的反射波长进行检测。图2为利用可调谐F-P腔对FBG反射波长进行检测的原理图。

从宽带光源发出的光经隔离器传送到FBG传感器。FBG传感器反射回的光经过一个3dB耦合器引入到可调谐F- P腔中。可调谐F-P腔结构如图3所示。

图3 可调F-P腔结构

从光纤入射的光经透镜Ll，变成平行光入射到F- P腔。出射光经透镜L2，汇聚到探测器上。构成F-P腔的两个高反射镜中的一个固定，另一个可移动且背面贴有一个压电陶瓷(PZT)。给压电陶瓷施加一个扫描电压，压电陶瓷产生伸缩，从而改变F-P腔的腔长。使透过F-P腔的光的波长发生改变。若F-P腔的透射波长与FBG的反射波长重合，则探测器能探测到的最大光强，此时给压电陶瓷施加的电压V就代表了FBG的反射波长。利用压电陶瓷构成的可调谐F-P腔测量光纤光栅传感器的反射波长，可以直接将波长信号转换成电信号，并且具有体积小、价格低等优点，是一种较好的检测光纤光栅波长的方案。

2.2.3            匹配光纤光栅解调法

双光栅匹配解调方法[10,11]近年来首先提出并研究成功的一种实用的解调方法，其采用的理论模型是选取两个电压阈值VL 和VH，将整个解调范围内的两个探测器的输出值分成4个相连的线性段，根据这些线性段对波长进行解调。图4为双光栅匹配解调系统原理图。

图4双光栅匹配解调系统

宽带光源发出的光经3dB耦合器进入传感FBG，再由FBG反射后进入两路匹配光栅。两路匹配光栅反射的光信号分别被PD接受并转换为电压信号，经滤波放大后由后续处理电路处理。匹配光纤光栅调谐滤波法的优点是检测灵敏度较高，并且系统性价比相比于F- P滤波器要高。但是，匹配光纤光栅调谐滤波法，实际上是两只光纤光栅透射/反射谱的卷积，因而，卷积输出的谱线相比于原光纤光栅的谱线将被展宽。因此，对待测光纤光栅的最小间距有一定的要求。

2.2.4            干涉解调

图5基于Mach-Zehnder 干涉仪的干涉解调系统

干涉型光纤光栅解调方法的基本原理是：当外场作用在传感光栅上时，导致干涉仪中的光程被调制，干涉仪的作用相当于波长扫描器，对光栅进行频谱选择。它具有极高的检测灵敏度，同时它也极易受到外界环境变化的影响，因而一般适用于动态测量。一种采用干涉解调系统形式的Mach-Zehnder干涉仪[12]如图5所示。

宽带光源发出的光经3dB耦合器进入传感FBG，再由FBG反射后入射到M-Z干涉仪，在第二个3dB耦合器发生相干，此时，照射到光电二极管PDl和PD2的光强分别是：

                              （2-6）

                              （2-7）

式中，A、B为正比于干涉仪输入光强的系数;为Mach-Zehnder 干涉仪的两臂相位差；

在进行传感测量时，对于M-Z双光束干涉仪，其检测方法是把2束光之间的相位差的变化转变为输出光强变化，实现对相位调制信号的检测。M-Z光纤干涉仪两臂输出光波相位差为:

                                 （2-8）

式中，为光程差，为光波长。等式两端分别对求微分得:

                             （2-9）

由此看出，利用M-Z干涉仪解调光纤光栅波长时，通过选择合适的光程差，当光纤光栅反射光中心波长移动时，注入干涉仪的光频(波长)发生改变，进而会引起相位差的改变。故由探测器测知，便可得到FBG波长移动变化量。这种检测方法，对微弱的动态Bragg波长移动是非常灵敏的。

3    低成本光纤光栅解调系统

3.1 解调系统框架

 本设计采用基于光栅解调方法[13-15]，解调系统如图6所示，包括中心波长在1545nm附近可调谐FP激光器、隔离器、3dB耦合器、传感光栅FBG（中心波长为1544.14nm，3dB带宽为0.2nm），探测器及数据采集处理部分。

图6光纤光栅解调系统

 F-P激光器发出的激光经隔离器、3dB耦合器进入传感FBG（传感光栅置于分辨率为0.5C˚的可控温箱），再由FBG反射后，输出的光信号经过PIN光电探测器接收，转换成电压信号，经过数据处理部分进行处理。

3.2 解调系统基本原理

光纤光栅的反射谱可以近似高斯分布，图7中的FBG的反射谱 可表示为：

                         （3-1）

为FBG的中心波长，为半高宽，为中心波长的反射率。

若光源为理想宽谱光源且强度为，则探测器所接收的光功率为：

                               （3-2）

式中，为耦合器分束比、光路损耗等因素造成的总衰减，可近似认为与波长无关。

将（3-1）代入（3-2）中得到：

                                                        （3-3）

式中：

                                                              （3-4）

由式（3-3）可以看出，在入射光源为理想宽带光源时，探测器探测到的光功率是以为中心的高斯分布。图7、图8分别给出了FP激光器与光栅的归一化光谱特性曲线及理想情况下的输出光强与布拉格波长曲线（其中=1544.14nm，=1543.7nm，=0.2nm，=1.6 nm）。

图7 FP激光器光谱与BFG光栅及其反射谱

图8 归一化输出光强与关系曲线(宽带光源)

由图8可知，系统的输出光强与仍成高斯分布，取高斯曲线单调的一侧，通过测得当前光强值则得到布拉格波长的偏移量。

3.3 低成本方案实现

鉴于现有光栅解调系统均采用宽带光源，而市场上，宽带光源的价格都很高，很大程度上增加了解调成本。本文提出采用FP激光器来作为解调系统光源，大大缩减了系统成本。

FP激光器的核心结构是F-P腔，腔内相长干涉条件可表示为[16~18]：

                       （3-5）

式中，为光在真空中的波长；为腔的光学长度，为正整数。相长干涉时与的关系为：

                             （3-6）

上式也可用纵模中心频率来表示，遂有：

                                                            （3-7）

则可得到各纵模频率间隔为：

                        (3-8)

同理，纵模的半值宽度：

                                              （3-9）

式中，为腔内表面反射率。可以看出，和均与无关，对一定的光腔常数，腔的纵模在频率尺度上是等间隔排列，且纵模谱线半值宽度都相等。图9为实验所用F-P激光器频谱。

图9 F-P激光器频谱

从图9可以看出，激光器频谱与理论分析一致，各个纵模频率均等间隔排列，间隔约1.4 nm对应约Hz，每个纵模半值宽度也都相等约为0.3 nm。

重复上一节中的分析，采用多纵模的FP激光器，其每个纵模输出光谱曲线亦近似成高斯分布即可表示为：

                         （3-10）

式中，为光源的中心波长，为3dB谱宽，为中心波长的光强。

设FP 激光器某个纵模的中心波长为1543.7nm，线宽为1nm，绘制修正后的输出光强曲线如图10所示；

图10归一化输出光强与关系曲线(F-P激光器)

由图10可知，采用FP激光器后，系统的输出光强仍近似成高斯分布，且输出光强随衰减的更快。实际中为避免出现双值问题，传感器只采用曲线一侧较陡的区域，曲线越陡则灵敏度越高，从上述曲线可以看出采用合适中心波长和线宽的FP激光器比采用宽带光源灵敏度更高，而且更值得一提的是市场上FP激光器的成本要远比宽带光源要便宜，大大降低了解调系统的成本，使该传感器走向实用化和工程化成为可能。

3.4 基于F-P激光器的多光栅解调系统

图11基于F-P激光器的多光栅解调系统

F-P滤波器周期性地扫描其输出波长以获取光纤光栅的反射谱，由每次扫描反射光最强时的扫描电压可知相应的波长值，从而实现多光栅的解调。

图12 四个光栅串联的反射光谱

4    光纤光栅复用技术

4.1 光波分复用技术

光波分复用技术实质上是通过波长的区分来识别传感器的位置。不同反射波长的光纤光栅在单根光纤中依次排列分别置于被测对象的不同测量位置，同时保证各个传感光纤光栅的波长移动范围具有独立性而不相互重叠，即构成了波分复用系统。如图13 所示。传感器网络由n个具有不同反射波长的光纤光栅串接而成。当这些位置的待测参量（如温度 、压强 、应变等）发生变化时，对应位置上的光纤光栅反射归来的波长编码信号就反映了待测参量的变化，含有多个波长信息的反射光反射回光耦合器，由可调谐滤波器进行波长查询及解调。最后通过接收端的PD电转换单元转换后进行数据处理，即得到对应光纤光栅反射波长的位移量，从而获得待测参数的变化量。

图13 光波分复用技术系统框图

 通常用于此波分复用系统的可调谐滤波器，主要有可调谐 F-P 滤波器、匹配光纤光栅滤波器、可调谐窄带光源等。因此，对这类系统解调时可以采用匹配光纤光栅滤波解调法 、可调谐光纤F-P 滤波器检测法、可调窄带光源检测法等解调方法。

4.2 光时分复用技术

 光时分复用技术是通过各个光纤光栅反射信号的延时来区分各个光纤光栅传感器的位程，其基本思想是把线性空间的位置问题转化为时间域问题系统原理如图14所示。在光纤光栅串行连接的复用系统中，从两相邻光纤光栅传感器上返回的光波信号有一定的时间间隔。系统工作时，脉冲激光器发出一个光脉冲，光脉冲经过耦合器进入光纤光栅传感器阵列，各个光纤光栅传感器分别反射回相应的光信号，由于各个光纤光栅传感器的光纤延时各不相同，则光电转换单元接收到的各个反射光信号在时间上产生差异，这种差异的存在就意味着用延时时间对各光纤光栅传感器进行编码。时间编码的信号经过放大滤波等处理后送入数据处理单元进行时间域的解析，从而得出波长的变化量，得到待测参数的值，这样就完成了时分复用光纤光栅传感网络的解调。

图14 光时分复用技术框图

在这个方案中，各个光纤光栅的反射光是时间编程的。这样就不用像光波分复用系统那样要求各传感光纤光栅的工作波长范围要分开，不能有重叠，理论上各光纤光栅可以具有相同的Bragg 波长，降低了制作光纤光栅的成本。

4.3 光空分复用技术

 光空分复用技术通过区分各个光纤光栅传感器所在的光纤通道来识别其对应的测量位置。与光波分复用系统不同，光空分复用系统的光纤光栅传感网络中，每个光纤光栅必须有自己的独立通道，即必须是并联而不是串接的。但是，各个光纤光栅传感器的中心波长和工作区间可以相同。

光空分复用结构中每个光纤光栅传感器可以独立地进行工作。如果网络中光纤光栅传感器的一致性较好（即具有相同的特征），那么系统中的光纤光栅传感器可以相互交换地工作而不影响结果。实际工程应用中，如桥梁监测系统中需要进行多点测量，考虑到光纤光栅寿命等因素影响，一般会采用并行方式多点部署参数相同的光纤光栅传感器，当其中一个光纤光栅传感器损坏时，附近的传感器可以替代其进行测量。

光空分复用系统的原理如图15所示，宽带光源发出的光通过耦合器入射到光开关阵列，光开关阵列由驱动器控制，用于选择不同的通道，每一个通道有一个光纤光栅传感器 ，其位置由光开关的选择来确定。

图15 光空分复用技术系统框图

    在解调时数据处理单元发出命令，控制光开关驱动来循环接通多路光开关，从而把 n路FBG反射回的光信号轮流接入到光耦合器。波长检测单元检测到反射光信号传送给光电转换单元，微弱的电信号经滤波放大后由数据采集单元传送到数据处理单元进行处理。数据处理单元将发出的选通命令和得到的解调数据结合到一起得到该路FBG传感器测量到的物理量，这样就完成了空分复用FBG网络的解调。

5    光栅传感实验

实验前，首先对F-P激光器、FBG反射谱及解调系统输出光谱通过光谱仪进行测试，分别对应于图17~19。

图16 实测F-P激光器光谱

实验使用的FP激光器光谱如图17所示，从图中可以看出，FP激光器输出有多个纵模，每个纵模之间间隔约为1nm，系统所使用的是中心波长为1544.08nm的纵模，半高宽约0.3nm。

图17实测FBG反射谱

 图17为传感光栅的反射谱，从图中可以看出，FBG的中心波长为1544.1nm，谱宽为0.2nm。

图18 解调系统输出光谱

图18为FP激光器作光源，系统输出光谱。从图中可以看出，系统的输出光信号的中心波长为1544.1nm即与FBG的中心波长相同。

按照图7的解调系统框架，搭建了基于此解调系统的温度传感器进行了温度测量实验，图19为搭建的实际传感系统图。

图19 实验装置图

将传感光栅放置可控温箱中，开启温箱电源，开启光源，等待数分钟后光源稳定，开启DSP采集板电源。当温度升高时，光栅布拉格波长向长波方向移动，采集板上的光电探测器将检测的波长漂移导致的光强变化转换成相应的电信号，DSP采集电信号并处理后将结果发送置上位机，可观察到上位机显示界面的温度曲线呈下降趋势。

 鉴于可控温箱的最小分辨率为0.5˚C，实验时每隔2~5˚C测量一组数据，为比较采用FP光源和宽谱光源系统解调特性，实验分别使用F-P激光器和宽谱光源进行测量，表1和表2为实验测量原始数据。

将表一与表二中数据通过matlab拟合，图21为温度与归一化光强度关系曲线。图中, ‘*’为采用F-P激光器作光源时，系统输出光强随温度变化；‘•’为采用宽谱光源（ASE）时，系统输出光强随温度变化。

表一 实验原始数据（宽谱光源）

表二 实验原始数据（F-P激光器）

图20 温度与归一化光强度关系

实验结果显示，采用FP激光器作为光源的输出强度衰减比ASE作光源衰减要快得多，可以看出采用FP激光器后，系统的灵敏度得到很大提高。考虑对数放大器的最小分辨光功率为100，A/D的最小分辨电压为，可得到采用F-P激光器后，系统温度解调最小分辨率为：0.004 ˚C，相比之下采用ASE的最小分辨率为：0.016 ˚C。

  此外，由图中可以看出，系统灵敏度的提高伴随着测量范围窄这一问题：采用F-P激光器系统的动态测量范围约35˚C，而采用ASE测量范围在55 ˚C以上。这一弊端限制了此套系统只能在灵敏度要求高而动态范围窄场合下使用。

6    光空分复用技术实验及展望

  本实验是使用一个光开关进行一分二的光空分复用技术实验，所使用的光栅的中心波长分别是1549.08nm，1550.32nm，其光谱图如下图21所示。

图21 使用一个光开关的光空分复用技术光谱图

按照图16搭建好光路，先将光开关打在第一路，并且将第一路光栅放在温箱中，通过光电探测器测量此时的数据，测量从20度到35度的光强的变化；再将光开关打在第二路，同时将第二路光栅放在温箱中，进行同样的测量；再将光开关打在第一路，以相同的方法进行测量，得到如下图22所示。

图22 光开关切换的饿光强随温度的变化图

本文设计了一种基于F-P激光器的多光栅复用解调系统，，选择合适的中心波长和线宽的FP激光器作为光源，不但大大降低解调系统成本，并提高了解调系统的灵敏度，温度传感实验表明：在15˚C-50˚C范围内，最小温度分辨力达0.004 ˚C，即对应波长解调分辨力约为0.04 pm。

 设计中主要是把该解调系统应用于温度的传感，实际中还可以将其拓展到应力、加速度、压强等方面的测量。此外，为了使系统更好的达到实际测量精度、稳定性及成本等要求，以下给出了日后需要努力的工作方向：

1）      使用多个开关进行多光栅复用解调系统的实验；

2）        由第3章的理论分析可知，解调系统的输出光强与近似成高斯关系，而高斯函数的半高宽与光栅反射谱宽、DWDM透射谱宽、光源线宽有关，即通过改变上述参量值，可权衡系统灵敏度与动态范围。

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