啁啾型FBG温度测试系统的设计与实现

孙 琪，徐子奇，刘智超,2，王美娇



啁啾型FBG温度测试系统的设计与实现

孙 琪1，徐子奇1，刘智超1,2，王美娇1

（1.长春理工大学光电信息学院，吉林 长春 130022；2.长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022）

为了实现长距离、大范围的温度在线监测，设计了基于啁啾调制技术的光纤布拉格光栅温度监测系统。采用线性啁啾结构获得更大回波带宽，从而在单根光纤上集成更多的FBG探测器。计算了光栅尺寸、啁啾系数与光栅周期的函数关系，设计了调制方式及范围。实验由宽带光源、光纤及耦合器、FBG探测器及F-P解调仪组成，调制范围为1530.0～1550.0nm。对15℃～55℃内温度进行测试，测温结果与WR-220型温度探测器作对比，结果显示，均匀型FBG与啁啾型FBG的温度检测结果基本一致，精度均满足设计要求。但采用啁啾型FBG的系统回波带宽大，可调制能力强，单根光纤上可载入FBG探测器数量是均匀型FBG系统的3倍以上。该结构在不增加硬件的基础上提高了系统的测温能力，具有很好的实用性。

光纤布拉格光栅；啁啾调制；波分复用；温度测试

0 引言

对温度的实时检测在生产、生活等各个方面均有应用，可以大范围、快速地实现对多个位置温度的在线监测具有重要的实际意义[1]。目前，大范围的温度监测网络被各国研究机构广泛关注。

根据温度测试的设备的工作机理可大致分为以下几类[2-6]：煤油温度计、应变式温度计、热电阻型温度计、热电偶型温度计、数字温度计和光纤光栅测温系统等。煤油温度计工作原理简单，成本低，但是需要人工读数，不适合大范围快速数据采集；应变式温度计结构简单、有较高的鲁棒性，但测试周期长、外界应力会产生温度误差；热电阻型温度计精度高，但其热惯性大，易受振动干扰；热电偶型温度计便宜、有一定的抗干扰能力，但精度低、测温范围小；数字温度计灵敏度高，但传输距离受数字信号线制约明显，在大范围检测领域应用困难；光纤光栅测温系统精度高、抗干扰能力强，是目前测温探测技术的主要研究方向，测试大范围、长距离具有很好的优势，但其单根光纤载入光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）测试端的个数一直是制约其广泛应用的软肋，故设计可以提高光纤布拉格光栅测温系统带宽及带负载能力具有重要意义[7-8]。

针对传统的均匀型光纤布拉格光栅的探测端完成改良，提高其回波光谱带宽，设计了啁啾调制光栅结构[9]，从而增加了系统带FBG个数的能力；同时，采用波分复用技术[10]（Wavelength Division Multiplexing，WDM）实现了对回波信号波长偏移量调制并识别的相应功能，保证了测温精度。

1 系统设计

相比传统的FBG而言，采用啁啾调制的测温系统需要引入波分复用调制器，系统结构如图1所示。由光纤耦合器完成光路分束，一束进入测试区域，另一束引入到解调仪中。FBG在测试区域中采集温度数据，由于温度变化导致光栅的形变，从而使光栅周期发生规律性变化，故温度与回波光波长存在一定的函数关系，由此实现对温度的测试及标定。在传统FBG系统中，光栅采用均匀结构，所以其回波的中心波长是一定的，整个系统中可以携带的FBG个数是有限的，很难实现大范围、多点位的测试，采用啁啾技术实现波分复用可以大大提高原有系统的带FBG能力。

图1 啁啾型光纤光栅测温系统

2 啁啾调制技术

在均匀FBG中，光栅Bragg波长[11]B为：

式中：表示光纤折射率；表示光栅周期。

光纤光栅回波波长B与被测温度符合以下关系：

式中：表示光纤热膨胀系数；表示光纤热光系数；表示光纤弹光系数，表示形变量。简化后有：

由(3)式可知，波长变化量与温度变化量呈线性关系。

啁啾调制光纤的结构如图2所示，不同波长的光信号会根据不同的光栅周期而反射回来，当可以采用啁啾调制时，就能实现在一根光纤上载入更多的FBG探测器，一套系统就能完成多点位的温度监测，由此大幅提高回波信号的带宽。采用有效的滤波手段抑制由于带宽增大过程中而产生的波长偏移的问题，就等保证一定的检测精度。

图2 光纤内啁啾分布结构

相比传统的光纤探测器，因为FBG的波导模的折射率发生了一定的变化，故其对应的折射率为：

式中：n()是系统折射率对应的调制性能；是干涉条纹的可见度；()是光栅周期；()是啁啾调制函数，均匀光纤光栅的()为0。

当用啁啾光栅时，光栅周期产生的变化为：

式中：是光栅的尺寸；是啁啾系数；是位置。将该式代入式(1)后，则系统的折射率产生了变化，即由啁啾调制完成折射率的周期变化，故使回波信号的波长产生线性变换。由于不同光栅周期产生的回波信号的波长是不尽相同的，所以系统的带宽得到了扩展。

3 波分复用

采用啁啾调制技术可以使系统的带宽增大，即提高了系统载入FBG探测器的数量。但是，因为采用大带宽的调制结构，使波长偏移的计算受到了限制，所以，回波光的各个波长产生的偏移量会对温度检测产生一定的影响。采用波分复用技术[11]，对信号光进行调制，产生线性变化效果，再由解调仪完成对应点位波长值的计算。针对某一被测波长而言，光信号仅受温度变化而使波长产生相应的偏移，即在被测区域内相应的测试点的波长偏移量由温度变化所决定。而在大带宽的信号解调中引入波分复用技术可以有效抑制温度改变造成的测温精度下降的问题。

设啁啾带宽有，波分复用的调制函数有()，对应的波长是[1，]，当温度为t时，偏移量有D。第个波长对应的回波信号[12]可表示为：

给定合适的边界条件，即：

(7)

当系统参数符合(4)式时，回波的各个波长就不会产生混迭现象了，故每个探测点位的波长可以被求解。由于系统采用线性调制结构，故回波光的波长偏移量仅受对应位置的温度的影响，所以可通过波长偏移量计算温度值。

4 多点位温度实时监测实验

4.1 测试环境

采用WR-220型温度探测器对0℃～1000℃的温度变化进行监测，FBG探测器分布于被测区域。FBG采用线性啁啾调制，啁啾系数为0.980nm/cm，调制度为1.43×10－4。光栅尺寸长120.0mm，其对应的中心波长为1538.5nm。系统的调制带宽范围是1530.0nm～1550.0nm，再由F-P光纤解调仪完成解调。

4.2 测试光谱

光源采用光强稳定的宽带光源，当光进入啁啾型光纤光栅时，因为光纤光栅的栅距各不相同，所以不同波长的光以不同的形式入射到解调仪，最后通过放大、滤波获得目标光的光谱分布，从而实现对被测区域的温度检测。由啁啾FBG得到的光谱分布见图3。该回波带宽20.0nm，与均匀光纤光栅相比，带宽得到了大幅提高，实现了在整个区域内完成不同中心波长的调制设计。

4.3 温度实验数据与分析

在被测区域中放置加热棒，温度会随着加热时间增加而升高，采用精度优于0.2℃的温度探测器进行监测，温度从15℃到55℃，记录每1℃变化均匀FBG和啁啾FBG的波长变化情况以及其反演的温度数据，实验数据见表1。

从表1中可以看出，温度在15℃到55℃范围内变化时，采用WR-220型温度探测器可以对被测区域内温度进行实时监测。但采用该仪器的缺点在于仅能对某个固定点位进行测试，并且测试距离受数据传输线距离的约束，故影响其在大范围温度检测的应用。采用FBG完成温度检测的精度略高于热释电探测器，均匀型FBG和啁啾型FBG的温度测试误差基本在一个数量级。原因是两种FBG的温度检测原理一致，都是利用温度与回波波长的函数关系进行反演计算的。测试结果显示，1℃的温度变化约引起0.04nm的回波波长漂移。由数据分布可知，啁啾型FBG的测试数据中波长偏移量更稳定，具有更好的温度测试精度，使温度温度的鲁棒性更高。采用啁啾型FBG具有明显的带宽优势，可以在同一根光纤上载入更多的FBG测试端，这样在大范围的温度监测中具有巨大的优势。相比传统的均匀型FBG，一根光纤中FBG数一般不超过10个，而采用啁啾型FBG，一根光纤中可以载入35～45个相同的FBG，扩容能力大幅提高，由此证实了该系统设计具有很好的应用价值与前景。

图3 啁啾型FBG的光谱回波数据

Fig.3 Spectrum data of chirped FBG

表1 啁啾型FBG与均匀型FBG温度实验数据

4 结论

结合啁啾调制和波分复用技术，设计了基于啁啾FBG的实时温度测试系统，该系统相比原有光纤光栅测温系统而言，在不添加硬件的基础上，可以载入更多的FBG探测器，从而使系统测温能力大幅提升，符合长距离、大范围实时温度监测的设计要求。通过实验可知，系统的测温精度优于0.5℃，具有较好的稳定性及抗干扰能力，单根光纤上的FBG载入数是传统均匀型FBG测温系统的3倍以上，具有很好的实用价值。

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Design and Implementation of Chirped FBG Temperature Test System

SUN Qi1，XU Ziqi1，LIU Zhichao1,2，WANG Meijiao1

（1. College of Optical and Electronical Information Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China;2. School of Optoelectronic Information, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China）

In order to achieve long-distance, large-scale, real time temperature monitoring, temperature detection system was designed based on chirped fiber Bragg grating for more FBG sensor integrated on a single optical fiber. The functional relationship of Raster size, chirp factor and grating period was calculated. Modulation mode and modulation range was designed. In the experiment, the system was composed of a broadband light source, fiber optic, coupler, FBG detector and F-P demodulator, and so on. Its modulation range was 1530.0-1550.0nm. The temperature was tested by system within 15℃-55℃. Temperature results were compared with WR-220 type temperature detector. The results show that the temperature test results were basically the same by the uniformity FBG and chirped FBG, and its accuracy can meet the design requirements. However, the echo bandwidth was wider, and modulation capability was stronger by the system using chirped FBG. In a single fiber, the amount of loaded FBG detectors can be more than three times to which of uniform type FBG system. The design of system can significantly improve the ability of temperature detection without additional hardware, which has a good practicability.

fiber Bragg grating，chirp modulation，wavelength division multiplexed (WDM)，temperature test

TN713

A

1001-8891(2016)11-0920-04

2016-06-13；

2016-08-17.

孙琪（1983-），女，吉林长春人，讲师，硕士，主要研究方向：光电检测、光纤通信等。E-mail：sunqinuc@sina.com。

徐子奇（1984-），女，吉林长春人，讲师，主要研究方向：光学设计等。E-mail：ldmnuc@sina.com。

国家自然科学基金（60637010）；吉林省教育厅“十二五”科学技术研究规划项目：基于光纤布拉格光栅网络的粮仓温度监测系统（吉教科[2014]B060）。