光纤光栅解调仪设计方案报告.docx
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光纤光栅解调仪设计方案报告
光纤光栅解调仪设计方案报告
1概述
光纤光栅解调仪作为光纤光栅类传感器的通用解调设备,是与光纤光栅类传感器配套的不可或缺的设备。
光纤光栅解调仪是对光纤光栅中心反射波长的微小偏移进行精确测量,波长解调技术的优劣直接影响整个传感系统的检测精度,因此光纤光栅波长解调技术是实现光纤光栅传感的关键技术之一。
图1光纤光栅解调仪在结构健康监测系统中的应用
光纤光栅解调仪在结构健康监测有着非常重要的作用，它将光纤光栅传感器的波长信号解算出来，并传送给计算机，计算机里的上位机程序将各种波长信号转化为待测物理量的特征信号,即可对结构实行实时的监测。
在结构健康监测系统中，如图1所示,传感器为网络中树叶,解调仪为树根，树干为传输光纤.解调仪的通道数量决定了树干光纤的芯数。
多个解调仪即构成的树状结构组成了森林,该森林中树的数量仅受到计算机局域网内的IP地址限制。
从一定程度上说，光纤光栅解调仪决定了一套结构健康监测系统的成本。
为了实现被测物理量的高精度测量,在过去的十多年里,相关科学家在光纤光栅传感器技术的研究和应用方面取得了突破性的进展，提粗了许多解调方法来检测光纤光栅中心波长的微小变化,比较典型的有：
匹配滤波法、非平衡Mach—Zehnder（M—Z）干涉仪法,可调谐光纤光栅滤波器法、可调谐Fabry-Perot（F-P）滤波器法等，如表1所示.
表1常用光纤光栅解调方法
解解调方法
基本原理
特点
适用场合
匹配光栅法
利用一个传感光栅参数一样的匹配光栅来滤波长
优点：
结构简单。
分辨率较高
缺点：
自由谱范围窄，对匹配光栅要求高.
静态测量或者低速测量
边缘滤波器法
将波长变化转化为光强变化
优点：
成本较低,有较好的线性输出。
缺点：
分辨率不是很高。
实验室
非平衡M。
Z干涉法
将波长变化转化为相位变化
分辨率高但是灵敏度和测量范围不容易调整，不稳定且不能复用
动态变量测量
可调谐F-P腔法
利用F-P腔的可调谐滤波作用
体积小、灵敏度高、光能利用高、解调比较方便
工程应用
从表1可以看出，边缘滤波法适用于实验室环境使用,匹配光栅法自由谱范围比较窄，不适合多通道的光纤光栅解调。
基于可调谐F-P滤波器的解调原理可实现多通道同时解调，且在工程实际应用中最多，本方案中的解调原理采用基于可调谐F—P滤波器的方法。
2产品功能和用途
光纤光栅解调仪可用于对光纤光栅类传感器的波长解算，并将解算出的波长信号传输给计算机，是作为光纤光栅类传感器必需配备的产品。
光纤光栅解调仪可用于基于光纤光栅传感器的各种结构健康监测系统中,如桥梁、大坝、航空航天、石油化工等行业.光纤光栅解调仪也可作为光纤光栅类传感器的解调设备，如光纤光栅温度传感器、光纤光栅压力传感器、光纤光栅应变传感器等.
3技术要求
a）解调范围:
1530~1560nm
b）通道数:
8通道
c）扫描频率：
20Hz
d）精度：
10pm
e）分辨率：
2pm
f）尺寸:
4技术方案
4.1方案概述
本方案的光纤光栅解调仪，采用基于可调谐F-P滤波器的可扫描窄带光源和基于F-P标准具的波长校准的解调原理.光纤光栅解调仪器主要由可扫描窄带光源、波长校准、数据采集与扫描控制几个模块和一些光学辅助器件组成.光纤光栅解调仪可以解算出光纤光栅类传感器的波长信息，是对光纤光栅类传感器的一种通用型解算设备。
4.2产品组成和原理框图
光纤光栅解调仪用于对光纤光栅类传感器的解调。
它主要由可扫描窄带光源、波长校准、光电转换、数据采集等几部分组成。
4.2.1产品组成
光纤光栅解调仪组成如表1所示。
表1光纤光栅解调仪组成
光纤光栅解调仪
名称
组成
可扫描窄带光源
ASE光源
可调谐F-P滤波器
相应控制电路
波长校准
F-P标准具
相应算法
光电转换器
光电转换器
相应调理电路
数据采集
NI6361数据采集卡
其它器件
光隔离器
可调光衰减器
光耦合器
光分路器
4.2.2原理框图
在本解调系统中，宽带光源发出的光进入可调谐F-P滤波器，在锯齿波扫描电压的作用下，不同波长的光信号周期性地通过F—P滤波器，然后经耦合器分成两个支路。
其中一路约90％的光经耦合器入射到传感光栅阵列中，阵列中所有光栅的布拉格反射波长必须全部在F—P滤波器的扫描范围内，并且每个光栅的反射波长都不相同,以避免信号串扰；另一路约10%的光则经耦合器入射到F—P标准具中,该支路用来对可调谐F-P滤波器进行校准,以消除可调谐F-P滤波器腔长漂移对测量精度造成的影响.在传感光栅通道中，当F—P滤波器的扫描波长与光纤光栅的反射波长一致时,光电检测器探测到的光能量最大.此时，采集光电检测器输出的电信号,当电信号最大时,记录相应的锯齿波电压，然后根据锯齿波电压与波长的关系可以得到反射波长的值，从而达到传感信号解调的目的.
图2光纤光栅解调仪原理图
4.3硬件设计
4.3.1可调谐窄带光源
在光纤光栅传感解调系统中，光源的性能决定了整个系统内光信号的强度和其他重要参量，而且对系统的成本影响非常大,甚至在相当程度上决定了系统的成本和性能。
由于光纤光栅的中心波长是整个传感系统中的待测变量,这就要求光源的光谱范围要足够宽，能够包含尽可能多的传感器的波长及其变化范围，还要求光源的输出功率强,性能稳定，这样才能满足分布式传感网络中多点测量的要求。
因此方案中所用的光源必须功率大、波段宽。
常用的宽带光源光谱范围宽，但所测光纤光栅的光谱在整个光谱中所占的范围小，经滤波后光电探测器探得的光功率信号较微弱，容易湮没在系统噪声和回光反射中，导致信号缺失，系统信噪比因此降低。
本方案采用可调谐窄带光源,由放大自发辐射光源（ASE）和可调谐F—P滤波器组合而成.原理如图3所示.
图3可调谐窄带光源原理
可调谐F—P腔控制模块产生周期性的锯齿波电压，该电压加在可调谐F—P滤波器上，可调谐F-P滤波器的腔长随着锯齿波电压周期性的变化，可调谐F-P滤波器的不同腔长对应着不同的波长值。
因此ASE光源发出的宽带光中只有波长与可调谐F—P滤波器腔长匹配的光能通过可调谐F-P滤波器，且在每一个时刻只能有一个确定波长值的能经过可调谐F-P滤波器。
4.3.1.1ASE光源
光源是构成解调仪的一个极为重要的元器件，光源和可调谐F-P滤波器共同构成解调仪的可扫描激光光源。
光源的功率对后续信号的功率的大小有着重要的作用,其性能决定了解调仪的寿命。
光源特性对光纤系统性能有着重要的影响。
针对已经确定的可调F-P滤波器参数，选择系统的光源主要从以下几个基本方面考虑：
（1）辐射频谱特性。
光源辐射的频谱特性应与光纤波导的传输频响特性匹配。
在波长为1527nm~1565nm的区域内,传输损耗较低，能满足不同的系统要求.
（2）电光转换特性。
施加于光源的电偏置对光输出有直接影响。
通常,输出功率值随电激励的增加而增加，器件的温度也随电激励的增加而升高。
对于大多数电光变换器来说，非恒温的输出光功率比恒温的稍低；此外,温度的变化还会引起辐射波长漂移.对于半导体发光器件，这可能是由于能带间隙随温度产生微小变化引起的。
光源输出强度和频率通常都是电偏置的函数，同时也会受到环境温度等因素的影响。
（3）输出功率特性。
对于一个带有光纤输出的光源,要求从光纤终端射出的光通量为最大。
这个量的大小取决于光源的功率和射入光纤的光通量.射入光纤的光通量与光源和光纤的耦合效率以及光源的亮度有关.从外部特性考虑时，出纤功率则是衡量输出功率特性的最重要的指标之一。
该系统中选用的光源为深圳浩源光电有限公司的ASE光源模块，该光源具有高功率、平坦度优，波长覆盖范围广,光谱、光功率稳定性好、电功率损耗低等特点。
参数如表2所示.
表2ASE光源模块参数
参数
单位
工作波长
nm
1527~1565
输出功率
dBm
10.0～13.0
光谱密度
dBm/nm
-11~-8
光谱平坦度
dB
≤1。
5
光谱稳定性
dB
≤±0.0005（15min）
输出功率短期稳定性
dB
≤±0。
005（15min）
输出功率长期稳定性
dB
≤±0。
02（8h）
工作温度
℃
—20～+60
存储温度
℃
—20~+70
相对湿度
RH
20～80
功耗（25℃）
W
≤1。
0
最大功耗
W
≤3
尺寸
mm
100×70×19
尾纤类型
SMF—28
接头类型
FC/PC或者FC/APC
报警信号
低电平报警
电源
DC+3。
3V,5A
该光源功率为10dBm～13dBm，即为0.01w~0。
02w，平坦度好,如图4所示。
图4ASE光源光谱图
4.3.1.2可调谐F-P滤波器
图5F-P腔结构
可调谐F—P滤波器的F—P腔结构如图5所示，在一定波长范围内，从光纤入射的光经透镜L1准直变成平行光进入F—P腔，在两个具有高反射率的平行反射镜之间产生多光束干涉,出射光经透镜L2聚焦汇聚到探测器上。
构成F—P腔的两个高反射镜中一个固定，另一个在外力的作用下可以移动，且背面贴有压电陶瓷.F—P腔腔长的伸长量与所加驱动电压成正比，当给压电陶瓷施加一个锯齿波扫描电压时,压电陶瓷将产生伸缩，从而可以改变F—P腔的腔长，使F-P腔的透射光波长发生变化,实现对透射光波长可调谐的目的.表征可调谐F-P滤波器性能的参数主要有自由光谱范围（FSR）、精细度（Finesse）和带宽（Δν）。
可调谐F—P滤波器必须具备以下几个基本的要求：
首先，每一次只能有一条分离的谱线被通过，谱线的宽度要足够小,不能太宽；其次，在可调的F—P腔腔长变化范围内，要让所有的光谱都能依次通过；另外，腔长随时间变化的函数关系不应该太复杂，而应该相对简单些，最好是线性的，这样有助于控制F—P腔的腔长,从而简化后续计算;最后,应该考虑到,在实际的光纤光栅传感器系统中，所用宽带光源的出纤功率一般都比较小。
因此，如果每一次通过可调谐F-P滤波器的光谱宽度趋于无穷小，则每次通过滤波器的光强会很弱，这样在光电探测部分所得到的光强也会很弱,这会增大后续信号处理的难度。
若增加可调谐F—P滤波器的光谱带宽，则每次通过滤波器的光强会增强，但会降低分辨率.
对此，本方案中建立了光谱的高斯数学模型，并进行了仿真，如图6~图8所示，给出了带宽为0.2nm的光纤光栅传感器与带宽分别为0.01、0.17、0。
25nm的可调谐F-P滤波器的关系。
左边的图表明了可调谐F—P滤波器带宽与输出光强的关系,右边的图标明了可调谐F-P滤波器与光纤光栅传感器的分辨率的关系.
图6可调谐F—P滤波器带宽为0。
01nm
图7可调谐F—P滤波器带宽为0。
17nm
图8可调谐F-P滤波器带宽为0。
25nm
光电探测器所检测到的光强是可调谐F—P滤波器带宽和光纤光栅传感器带宽的卷积，即为上述左侧图中红色包络线和蓝色包络线的重叠部分，可看出可调谐F—P滤波器的带宽越大，光强越大。
当光纤光栅传感器的波长发生相同的偏移时，如上述图中的右图所示，可调谐F-P滤波器的带宽越宽，能通过偏移量之间的可调谐F—P滤波器的光谱个数就越少,这容易漏掉某些波长值，导致分辨率和精度的降低.因此有必要在滤波器输出光谱宽度和系统的输出光强和分辨率之间寻找一个平衡点.
表3可调谐F-P滤波器参数
光学指标
工作波长范围
C波段：
1520nm～1570nm
自由光谱范围
143.6nm
3dB带宽
0。
0383
标准精细度
4000
插入损耗
<2。
5dB
输入功率
9mw
电器特性
调谐电压/FSR
＜18V
电容
＜3。
0μF
回归速率
＜90V/ms
1FSR循环速度
＜800Hz
最大调谐电压
70V
环境条件
工作温度
-20℃—80℃
电压变化/工作温度
＜18V
插损变化/工作温度
（取决于FSR）
＜0.5dB
插损变化/振动
＜0。
5dB
机械特性
尺寸
13.5×25。
8×57。
2
重量
53g
尾纤长度
＞1m
连接头
FC/APC
目前所研发的光纤光栅传感器的中心波长均包括在C波段范围内，通常布拉格光纤光栅的中心波长带宽为0。
2nm，为了保证信噪比和分辨率，因此所选用的可调谐F-P滤波器的带宽应该小于0。
2nm.根据上述仿真,结合所选的器材，该方案所用的可调谐F-P滤波器是美国的MicronOptics公司基于全光纤F—P标准具技术的特殊的可调谐滤波器，它允许波长跟F-P腔长度有倍数关系的光通过，而其他波长的光按爱里函数衰减，其带宽为0.0375nm，具体参数如表3所示。
根据上表参数,该可调谐F-P滤波器的精细度为4000，带宽为0.0375nm,由此对于该的可调谐F-P滤波器和光纤布拉格光栅的光强和分辨率进行仿真如图9所示。
根据仿真的效果，该型号的可调谐F—P滤波器可满足系统的要求。
图9可调谐F—P滤波器带宽为0。
0375nm
4.3.2波长校准
由于外界环境的影响以及F—P滤波器自身的非线性，往往会带来测量误差,特别是F-P滤波器由于压电陶瓷的迟滞性会引起系统测量的重复性误差，以致影响系统的测量精度。
根据形成干涉的条件，当入射光波长λ等于调谐波长λT时，透射光光强达到极大值。
F—P腔的调谐波长可以表示为：
………………………………………………
（1）
式中:
n——F—P腔的两平行反射镜之间介质的折射率；
h——F—P腔的腔长；
m——为整数.
由式
（1）可知，通过改变F—P腔的腔长h或介质折射率n，可以使调谐波长λT产生变化，利用这个特性可以对FBG传感器的反射波长进行解调.可调谐F-P滤波器的腔长PZT控制。
给PZT施加锯齿波扫描电压，在每一个扫描周期内，使得F—P腔的腔长随调谐电压线性变化，即:
……………………………………………
（2）
式中:
h—-施加电压后F—P腔的腔长；
k—-常数；
v-—调谐电压；
h0——未加电压时F-P腔的原始腔长.
将式
（2）代入式
（1）可得：
……………………………………………（3）
从式（3）可知：
当调谐电压V变化时，F—P腔的调谐波长λT随着V线性变化.当F—P腔的调谐波长λT与光纤光栅布拉格波长λB重合时，光电检测器检测到最大光强，记录此时的调谐电压值，然后根据标定好的锯齿波电压与布拉格波长的关系，就可以唯一确定传感光栅的布拉格波长，可以表示为：
……………………………………………（4）
由于F—P腔的结构和物理特性，h0会随温度的变化而变化，即h0是一个随温度变化的变量,这就导致光纤光栅的Bragg波长测量结果产生误差，从而影响系统测量精度。
为了消除这种影响,本方案中的解调系统中引入了参考光栅。
设参考光栅的波长为λ0，且固定不变，则由式（4）决定λ0与驱动电压V0的关系,即：
……………………………………………（5）
将式（4）与式（5）相减可得：
…………………………………………（6）
由式（6）可以看出，传感光纤光栅的Bragg波长与可调谐F-P滤波器的原始腔长无关.只要参考光栅的波长保持不变，腔长漂移对最后的测量值将不会产生影响.由此可见，引入参考光栅可以有效地消除F-P滤波器腔长漂移引起的测量误差。
解调器的波长校准是定量检测的基础，校准的结果直接影响到测量精度。
本方案中采用F-P标准具,作为波长校准的参考光栅。
F—P标准具可输出一系列波长固定、功率相近的波峰值，如图10所示,因此F-P标准具也称为梳妆滤波器。
图10F-P标准具的梳妆波形
本方案中选择的F—P标准具，是带有mark点的F—P标准具。
即在F—P标准具的梳妆波形中有一缺失固定波长值,如图11所示.
图11mark点的F—P标准具
在mark点缺失的波长值，它将作为我们的定标波长，即是上文中所提及的参考波长值。
F—P标准具输出一系列固定的波长峰值，覆盖整个传感光栅的波长范围，由mark点的波长值可以计算出F-P标准具每个波峰的波长。
在较小的输出区间内，波长和对应的扫描电压近似呈线性关系，如图12所示。
图12波长和扫描电压的关系
F-P标准具的波长与扫描电压近似呈线性关系。
通过光栅的Bragg波长及其光谱峰值所对应的扫描电压的关系，可以建立波长与扫描电压的对应关系式,从而通过传感光栅的光谱峰值波长所对应的扫描电压计算出其峰值波长。
图中λn和λn+1分别表示待测传感光栅两侧F-P标准具输出的峰值波长，λs表示待测传感光栅的波长。
假设锯齿波扫描电压是线性的，根据图12给出的几何关系，即图中阴影部分的两个三角形相似，可以得到传感光栅的Bragg波长λs为：
………………………………………（7）
该方案中选择的F—P标准具为AFPI-100,参数如表4所示。
表4F—P标准具参数
精细度
7
插入损耗
<3dB
自由光谱
100GHz±5%
热稳定性
〈±1.5GHz，〈±3GHz
工作波长范围
1525～1565nm
工作温度
0～70℃
尺寸
30×12。
7×10mm
4.3.3光电探测器模块
一个完整的光纤传感系统包含光波产生与调制、传输、探测及解调等部分.其中光纤的探测是由光电探测器完成的。
4.3.3.1光电探测器
光电探测器在该系统中用于将光信号转化为电信号，光电探测器分别位于传感光路和F-P标准具的后端，如图13所示。
图13光电探测器在解调系统中的位置
选择解调系统中的光电探测器主要考虑的光电探测器要求有以下几点:
（1）工作波长范围应当与宽带光源波长范围一致；
（2）具有足够高的灵敏度与较低的噪声;
（3）工作电压低,便于搭建便携的系统;
（4）探测器模块内置放大电路，降低对低噪声前放的要求。
由于光源功率的限制，各个光学器件对光强的损耗,最终到达光电二极管的光强已经比较微弱.可调谐F-P滤波器的输入功率为9mw，插入损耗为2。
5dB左右，带宽为0.0375nm；光源带宽为38nm,假设光源均匀平坦；光耦合器为3dB，其中90％的光分给光纤光栅传感器，10％分给F-P标准具，光分路器为1×8，损耗为11dB，光纤光栅的反射率为80％。
则光纤光栅传感器处输出功率为8×（0。
0375/38）/1.78×0.5×0.9/8×0.1×0。
8=22。
5nw，F-P标准具处的输出功率为9×（0。
0375/38）/1.78×0.5×0。
1×0.5=997nw.
光电探测器选用中电44所研制的GT322D型InGaAs探测器。
该产品具有噪声低、工作频率高、可靠性高等优点，适用于光纤通信、光纤传感、快速光脉冲检测等应用，其参数如表5、表6所示。
表5GT322D光电探测器最大额定值
工作电压
15V
工作温度
—40~+70℃
耗散功率
100mw
正向电流
10mA
贮存温度
—55~+70℃
焊接温度（时间）
260℃（10s）
表6GT322D光电探测器光电性能参数
特性参数
符号
测试条件
参数指标
单位
光敏面直径
ψ
——
60
μm
光谱响应范围
λ
——
900～1700
nm
响应时间
T
——
≤1
ns
击穿电压
VBR
IR=10μA
≥45
V
暗电流
ID
VR=5V，Pin=0μW
≤1。
0
nA
总电容
C
VR=5V，f=1MHz
≤0。
8
pF
—3dB带宽
BW
VR=5V,fo=1MHz,RL=50Ω
≥1000
MHz
响应度
Re
Pin=10μW，λ=1.55μm
≥0.85
A/W
线性饱和功率阈值
φs
VR=5V，λ=1。
55μm
≥5
mW
光回波损耗
ORL
λ=1.55μm，ψe=100μW
≥30
dB
光输入损耗
IRL
λ=1.55μm，ψe=100μW
≤0.5
dB
4.3.3.2调理电路
因光纤末端输出的光信号通常是很微弱的，各种噪声的干扰直接影响有用信号的测量精度，这就要求光检测器在所用光源的发射波长范围内具有高的响应度、小的附加噪声、快的响应率有能处理需要的数据率的足够的带宽。
另外,与探测器相连的前置放大电路也应当设计合理,以获得大的动态范围和高的信噪比.如图14，调理电路的示意图：
图14调理电路示意
（1）光电检测电路
光电检测电路由光电转换器的技术文档给出，如图15所示。
图15GT322D光电转换器应用电路
（2）调零电路
调零电路用来在检测动态信号时,由于光电检测电路有个较大的基值，当变化太小，相对变化太小了，不容易检测，如果放大倍数过大，会有放大器饱和、损坏数据采集卡等情况出现，对检测带来难度，所以需要设计调零电路。
（3）放大电路
放大电路分为前置放大和次级放大。
前置放大为预放大探测器的输出信号，以获得较好的信号噪声比，进行阻抗变换,减少信号传输中的干扰。
次级放大主要是考虑到前置放大倍数不宜于过大,信号经前置放大后幅值仍然比较小，不能很好的被数据采集卡采集处理，加上次级放大，可以较灵活的调整信号幅值，便于系统的灵活使用.
（4）滤波电路
滤波用来把有用信号中的噪声滤去,得到我们想要的比较干净的信号。
微弱模拟信号在放大的过程中会受到干扰,使传送中的信号幅值或相位发生畸变，因此,有必要对微弱的模拟信号做滤波处理.
4.3.4数据采集与控制模块
数据采集模块主要是采集光电转换的信号，并且进行模数转换。
控制模块用于对可调谐F-P滤波器的控制。
控制模块需要能产生频率为20Hz，幅值为18V的锯齿波波形.
4.3.4.1数据采集
本方案中采用NI6361型号数据采集卡,该采集卡带有分辨率为16位的模拟输出和输入端口，可同时进行数据采集和对调谐F-P滤波器的控制。
NI6361的参数如表7所示。
数据采集设备的模拟输出端口可定义成为一个任意波形发生器,其波形函数由软件定义；模拟输入端口可定义为一个示波器，其采样频率和带宽由数据采集设备的硬件性能决定,示波器界面在软件中显示.将数据采集设备的模拟输出端和模拟输入端连接起来,即可以实现一个波形发生器和一个示波器的功能。
在系统解调范围内35nm,可调谐F—P滤波器的分辨率约为35pm，则在锯齿波的每个扫描周期内采样的次数要大于1000次，若锯齿波的扫描频率为20Hz,且我们只使用扫描信号的上升沿来检测信号,可以计算采样周期应该满足：
………………………………………（8）
及采样频率大于0.2MHz，该型号数据采集卡满足系统需求。
当需要同时检测8个传感通道和1个参考通道的光纤光栅，在扫描周期内（0.05s）的数据量为:
（8+1）×1000×10=0。
09M………………………………………（9）
即每秒要采0。
09M×20=1。
8M
表7NI6361数采卡参数
模拟输入
模拟输出
通道数
8个差分或16个单端
通道数
2
ADC分辨率
16位
DAC分辨率
16位
采样率
最大值
2。
00MS/s（单）
DNL
±1LSB
1。
00MS/s（多）
单调性
保证16位
最小值
无
最大更新率
1个通道：
2。
86MS/s
定时精度
50ppm/采样率
2个通道：
2。
00MS/s
定时分辨率
10ns
输出范围
±10V、±5V和±外部参考
输入范围
±10V、±5V、±2V、±1V、±0.5V、±0.2V、±0.1V、
稳定时间，全量程变化
15ppm（1LSB）:
2us
输入FIFO容量
升级会员 