抗干扰的光纤光栅边缘滤波解调技术研究

唐 轩，张东生

(武汉理工大学光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室，湖北武汉 430070)

随着光纤传感技术的不断发展，光纤光栅传感解调技术越来越引起人们的兴趣。其中，光纤光栅边缘滤波解调法能够解决高频率下波长解调的关键技术问题，但边缘滤波解调法受外界干扰非常严重［1］。近年来，国内外研究人员针对消除外界噪声干扰展开了广泛的研究。SERGE等使用将测量光栅信号与参考信号相除的方法来解决光源与光纤传输线的干扰问题［2］。CHUANG等提出增加几路边缘滤波的光路取平均的方法来消除干扰［3］。胡勇勤在水声信号检测中，将边缘滤波后的数据与未经滤波的数据相除，相除后的数据分为两路，一路经过低通滤波反馈控制边缘滤波器实现滤波功能，另一路经过高通滤波后输出作为最终数据，同样可以达到消除噪声干扰的目的［4］。此外该实验室也在称重传感器中运用啁啾光纤光栅边缘滤波法提高测量精度［5］。但这些方法都存在各自的缺陷。由于相除法在光电接收处仍然使用双光功率计，而每个光功率计的噪声有其随机性，因此光功率计带来的噪声干扰无法消除。平均法系统构造比较复杂，每条光路引入了较多的仪器，考虑到每个仪器会带来未知的干扰影响，也无法满足有效消除干扰的需要。

笔者提出了一个基于光开关的光纤光栅边缘滤波解调技术。该方法利用光开关将未经滤波的光波与经过滤波后的光波耦合为一路，在光电转换处只用到单个光功率计，则光功率计的噪声干扰可以被消除。

1 实验原理

图1为光纤光栅边缘滤波解调系统的结构框图。光通过耦合器1照在传感啁啾光纤光栅CFBG1上，满足反射要求的光被反射，再由耦合器1传输至耦合器2上，并由耦合器2分为两路，一路光直接传输至光开关，一路光照在匹配光栅CFBG2上，经由匹配光栅CFBG2透射滤波后传输至光开关。此时，光开关起到时分复用的作用。光开关按照驱动提供的一定频率工作，在一个周期内前半周期一光路导通，后半周期另一光路导通。光开关再将整合后的光传输出去，最后由光功率计采集卡接收，进行数据处理，按照驱动频率分离信号，并相除，得到结果为V=V1/V2。这里，虽然光开关采集到的数据来自不同时段，但是考虑到噪声影响为渐变漂移噪声和其他高频随机噪声，前者为低频噪声，幅度较大，对数据影响极为严重;后者为高频噪声，幅度较小，对数据影响不大。因此，当光开关选择时间极短时，将相邻两个时间段的光波相除，可以有效地消除对实验数据影响较大的低频噪声。

图1 光纤光栅边缘滤波解调系统结构框图

2 实验研究

悬臂梁重力测试实验装置如图2所示。整个系统由光源、耦合器、光纤光栅、悬臂梁、光功率计、光开关、NI数据采集卡和PC机组成。其中，所用光源为LED光源，光纤光栅为一对匹配的啁啾光纤光栅，传感光栅CFBG1用于测量，用胶粘剂将其固定在悬臂梁上，匹配光栅CFBG2用于滤波，并使这对CFBG工作在相同环境下，光电转换为实验室自行研制，响应度为8.5 A/W，光开关为机械式光开关，转换速度小于10 ms，NI数据采集卡型号为USB-6251，采集频率为1 kHz。主要工作流程为:当悬臂梁右端悬挂重物时，悬臂梁发生弯曲形变，传感光栅CFBG1将感测到的光信号传输至匹配光栅CFBG2，反射光经过滤波后再传输至光功率计，以电压形式传输至采集卡。NI数据采集卡进行A/D转换与数据采集，并将采集到的电压信号通过USB接口接入PC机，在PC中用Labview编写悬臂梁重力测试实验数据采集与处理软件，进行数据处理和显示。

图2 悬臂梁重力测试实验装置

图3为啁啾光纤光栅反射透射谱，其横坐标为波长λ，纵坐标为反射光谱峰值Im。在悬臂梁右端加载不同质量的重物，会导致传感光栅CFBG1反射谱发生变化，如图3实线所示，阴影部分为初始状态下(F=0)传感光栅CFBG1反射光经过匹配光栅CFBG2透射滤波后的光谱。当等强度梁受到应力F，其上表面受到拉应力的作用，传感光栅CFBG1反射谱向长波方向漂移Δλ，匹配光栅CFBG2的透射谱位置不变，如图3虚线所示。阴影部分和右边虚线的部分皆为传感光栅CFBG1反射光经过匹配光栅CFBG2透射滤波后的光谱。这样光电转换器中接收到的光强则增大。

图3 啁啾光纤光栅反射透射谱

实验中采用3种方法测量光强变化:①光纤光栅边缘滤波法的最基本形式。LED发射出的光由传感光栅CFBG1反射后，传输至匹配光栅CFBG2透射滤波，不加任何参考光路，滤波后的光直接传输至光功率计，NI数据采集卡采集光功率计输出的电压值U，经USB接口将数据传输并保存在计算机内;②双光功率计接收相除法。参照DAVIS等利用波分耦合器测量光纤光栅的波长变化的方法［6］，将传感光栅CFBG1反射后的光由耦合器分为两路，令其中传感光栅CFBG1反射后的光路为参考光路，以另一路即传感光栅CFBG1反射光经匹配光栅CFBG2透射滤波后的光路为匹配滤波光路，两路信号分别使用一个光功率计接收。通过Labview编写的双通道采集程序，驱动NI数据采集卡采集两路光功率计输出的电压值U1，U2，将采集到的两路数据传输至计算机中并计算U=U1/U2，最后得到的U即为波长变化量对应电压值;③单光功率计接收法。同样，将传感光栅CFBG1反射后的光由耦合器分为两路，令其中传感光栅CFBG1反射后的光路为参考光路，令另一路即传感光栅CFBG1反射光经匹配光栅CFBG2透射滤波后的光路为匹配滤波光路，将这两路光传输至光开关，并按一定频率耦合为一路光输出，如图1所示。耦合频率f由计算机设定，通过控制继电器的开关频率从而控制光开关的工作频率。输出光由单光功率计接收并由NI数据采集卡采集得到电压值U0。数据由USB接口传输给计算机。在计算机中经由Labview编程处理数据，将接收到的数据U0按照耦合频率f分离为两路，一路为传感光栅CFBG1反射光经匹配光栅CFBG2滤波后对应电压值U1，一路为传感光栅CFBG1反射光对应电压值U2。再计算U=U1/U2，即为波长变化量对应电压值。

在相同环境下，3种解调系统分别做了多次实验。比较3种系统多次实验后的数据，分析其重复性。第1种方法LED发射出的光由传感光栅CFBG1反射后，经匹配光栅CFBG2透射滤波，记录由光功率计直接接收的光强对应电压值U，如图4所示，可知实验1和实验2与实验3和实验4的数据相差比较大;第2种方法双光功率计分别接收参考光路与匹配滤波光路，两路光功率计输出的电压值分别为U1，U2，将采集到的两路数据传输至计算机中计算并记录U=U1/U2，如图5所示。由于双光功率计的各自噪声的随机性，实验2与其他3个实验的差距较大;第3种方法单光功率计接收光开关耦合后的光，并由NI数据采集卡采集得到电压值U0，再由Labview编程处理，将接收到的数据U0按照耦合频率f分离为两路，一路为传感光栅CFBG1反射光经匹配光栅CFBG2滤波后对应的电压值U1，一路为传感光栅CFBG1反射光对应的电压值U2。再计算并记录U=U1/U2，如图6所示。4个实验的数据重复性较好。

图4 第1种方法接收的光强对应电压值

图5 第2种方法接收的光强对应电压值

图6 第3种方法接收的光强对应电压值

为了验证光开关的光纤光栅边缘滤波解调方法［7-8］的抗干扰能力，对传感光栅CFBG1处的光纤传输线人为地进行干扰，结果如图7所示。图7(a)为受到光纤传输线噪声干扰后，经过滤波的数据，有5 mV的噪声，图7(b)为受到同样光纤传输线噪声干扰后，经过滤波的数据与未经过滤波的数据相除后的数据，基本是一条直线，波动在2 mV以内。证明系统能够有效地消除外界干扰。

图7 解调系统受到光纤传输线噪声干扰后数据曲线比较界面图

实验数据证明，在光纤光栅边缘滤波解调系统中，使用光开关相除后，噪声降低在2 mV以内，能消除光纤传输线路带来的噪声干扰［9-10］。在等强度悬臂梁重力测试实验中，第1种方法未使用光开关与参考光路，反射光经过滤波后直接由光功率计接收，几次实验后得到数据均值拟合方程为y=0.2x+516.8，偏差最大值为2.85 mV。第2种方法未使用光开关，使用双光功率计接收匹配滤波信号与参考信号相除所得数据，几次实验数据均值拟合方程为y=0.2x+875.2，偏差最大值为32.10 mV。第3种方法使用光开关将匹配滤波信号与参考信号耦合为一路，用单光功率计接收并相除所得数据，几次实验数据均值拟合方程为y=0.2x+542.4，偏差最大值为2.59 mV。因此，使用光开关的第3种方法重复性最好，即抗干扰能力最好。

3 结论

根据光纤光栅边缘滤波解调原理，针对外界对解调系统的噪声干扰来源，将光开关应用于边缘滤波解调系统中，消除了光源、光纤传输线，以及光功率计对解调系统的噪声干扰。实验证明，该解调系统噪声可控制在2 mV以内，在悬臂梁重力测试中，拟合度为0.9999，且重复性较好。同时，该方法结构简单，效果显著，有着较好的实用价值。

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