基于AWG的多通道光纤光栅传感解调系统

李鸿强，孙　杰，张　诚，陈雪龙，崔贝贝，崔佃银，袁丹阳（天津工业大学电子与信息工程学院，天津　300387）



基于AWG的多通道光纤光栅传感解调系统

李鸿强，孙杰，张诚，陈雪龙，崔贝贝，崔佃银，袁丹阳
（天津工业大学电子与信息工程学院，天津300387）

摘要：设计开发了一种基于陈列波导光栅（AWG）的多通道光纤光栅解调系统.该系统由宽带光源、隔离器、耦合器、光环路器、光纤布拉格光栅（FBG）传感器、AWG、光电探测电路、调理放大电路、低通滤波电路和ARM控制电路等组成，采用光强法解调技术，对FBG传感器的温度进行精确测量.实验结果表明：该解调系统测量误差不大于±0.1℃，FBG中心波长解调范围为1 545.30～1 560.50 nm，可实现对4通道的32个FBG传感器同时测量.

关键词：多通道；光纤布拉格光栅；阵列波导光栅；ARM；解调系统

光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）传感器是一种新型的光无源器件，其具有结构简单、低损耗、可靠性高、抗电磁干扰、耐高温等优点[1-2]，广泛应用于应变、温度、压力、磁场、加速度等物理量的测量[3-6]. FBG作为一种波长调制型的光无源传感器，其被测物理量的信息反映在FBG中心波长的偏移量上，通过测量FBG中心波长的变化量，即可实现对被测物理量的测量，因此，FBG波长解调技术是FBG传感器应用的关键技术.近些年，国内外在FBG传感解调方面进行了大量的研究，目前已见报导的FBG传感解调技术有匹配光纤光栅法、可调滤波检测法[7]、非平衡M-Z干涉仪法[8]、可调谐F-P滤波检测法[9]、可调窄带光源检测法[10]等.其中，可调谐F-P滤波器检测法为最常用的光纤光栅解调方法，该方法具有较高的分辨率与测量范围，可同时计算出16通道、320个光纤光栅温度传感器的温度值[11]，但随着扫描速率的提高，其解调精度与波长扫描范围都会降低[12].其他方法因结构复杂、调整困难、测量准确度不高而不利于实现或成本太高等，在应用方面受到了限制.而阵列波导光栅（arrayed waveguide grating，AWG）是一种角色散型无源器件，与其它波分复用器件相比，AWG具有设计灵活、插入损耗低、信道串扰小、滤波性能好、长期稳定、易与光纤耦合等优点，已广泛应用于密集波分复用（dense wavelength division multiplexing，DWDM）光通信系统中，在传感解调方面也得到了广泛应用[13].

本文从FBG的光学特性和AWG的解调原理出发，设计出一种基于AWG的多通道光纤光栅解调系统，以ARM处理器为核心控制器件，结合AWG波分复用技术和光强法解调算法，实现了对多个FBG传感器温度的实时、准确监测.

1　AWG波长解调原理及光强法解调算法

1.1 AWG波长解调原理

AWG波长解调系统基本组成框图如图1所示. 图1中，宽带光源输出的光经隔离器和耦合器后进入FBG传感器，FBG传感器的反射光再经耦合器进入到AWG输入端.根据AWG波长解调原理，FBG传感器的反射光由AWG输出通道中中心波长与FBG中心波长相邻的两通道输出，输出光信号经光电转换、放大滤波、A/D转换和处理单元的波长解调，实现对FBG波长偏移量的测量，即完成对被测物理量的测量[14].

图1　AWG波长解调系统基本组成框图Fig.1 Basic composition block diagram of AWG wavelength demodulation system

以单个FBG为例，AWG波长解调原理如图2所示.

图2中，设其中心波长为λFBGm，Ch（i）、Ch（i+1）（0≤i≤M，M为AWG的最大通道数）为对应中心波长λFBGm的AWG中2个相邻的输出通道透射谱，AWG通道i 和AWG通道i+1对应的中心波长分别为λi和λi+1，2个通道的输出光强Pi和Pi+1分别为AWG通道i和AWG通道i+1的透射谱分别与FBG反射谱的重叠积分，如图2（a）所示；在AWG温度不变和FBG不受应力的情况下，当FBG的温度发生变化时，FBG反射光的中心波长会发生漂移，从而FBG的反射谱与AWG相邻双通道透射谱叠加面积发生变化，即AWG相邻两通道的输出光强发生变化.假设AWG的透射谱和FBG的反射谱均为高斯型，当温度下降时，FBG传感器中心波长向左移，则AWG通道i的输出光强增强，AWG通道i+1的输出光强减弱，如图2（b）所示；当温度升高时，FBG传感器中心波长向右移，则AWG通道i的输出光强减弱，AWG通道i+1的输出光强增强，如图2（c）所示.最后通过检测AWG相邻2通道的输出光强变化，根据实验得到的光强比对数与波长的关系即可解调出FBG传感器的波长偏移量.

图2　AWG波长解调原理图Fig.2 Schematic diagram of AWG wavelength demodulation

1.2光强法解调算法

AWG波长解调系统中，1×N AWG通道i的传输谱函数为：

式中：T0为传输谱的归一化因子；λ和λi分别表示入射光波长和AWG通道i的中心波长；Δλi为AWG通道i传输谱的半峰值带宽（FWHM）.

假设FBG的反射谱为高斯型，其反射谱函数可表示为：

式中：R0为反射谱的归一化因子；λFBG为FBG的中心波长；ΔλFBG为FBG反射谱的半峰值带宽.

AWG各通道的输出光强为光源功率、反射谱、传输谱三者的乘积在整个光谱范围的积分，通道i和通道i+1的输出光强可表示为：

式中：Pi和Pi+1分别为AWG通道i、通道i+1的输出光强；Li和Li+1分别为AWG通道i和通道i+1的衰减因子，在同一个AWG波长解调系统中，可认为各通道的衰减因子都相等，即Li= Li+1= L；IS（λ）为光源的光功率.

由式（1）、式（2）可知，光强主要由波长在λi、λFBG附近的光决定，宽带光源的输出光功率在一个较窄的波长范围内可以认为是一个定值Is，设AWG通道间隔相同，即Δλ=λi+1-λi为常量，式（3）、式（4）可以简化为：

在AWG各通道传输系数、半峰值带宽相等的情况下，AWG相邻通道的光强比对数为与FBG中心波长关系为：

式（7）为AWG波长解调算法的原理公式，AWG输出光强比对数与FBG传感器反射波长呈线性关系，因此通过检测AWG输出光强信号，即可实现对FBG波长信息的检测.

2　多通道光纤光栅解调系统实验研究

2.1多通道光纤光栅解调系统工作原理

多通道光纤光栅解调系统的设计基于AWG波分解复用功能，单通道能解调的FBG传感器个数受AWG通道数的影响，本文采用4个1×16的AWG，总共4通道，最多可同时解调32个FBG传感器，多通道光纤光栅解调系统框图如图3所示.

图3　多通道光纤光栅解调系统框图Fig.3 System block diagram of multi channel fiber Bragg grating demodulation system

宽带光源选择SLED宽带光源，发射1 525～1 565 nm波段的宽带光，经1×4耦合器入射到各个通道的FBG传感器，FBG传感器发射的光经环路器入射到各通道的AWG，由AWG波长解调原理可知，各FBG传感器的反射光由AWG相应两通道输出，光电探测器将光信号转化为电信号，经调理放大电路后由AD转换电路将模拟信号转化为数字信号，最后由ARM芯片进行数据采集和波长解调，计算出FBG传感器的温度值，再将解调结果通过串口上传到PC机，实现实时温度的检测和显示.为了满足测量需要，FBG传感器中心波长应根据AWG输出通道的中心波长来选择，尽量让FBG传感器的中心波长处于AWG对应两输出通道中心波长的中心，并且在测量范围内，FBG传感器中心波长的漂移范围应在对应AWG输出两通道中心波长之间，减少FBG传感器之间的串扰，提高系统精度.

2.2控制器单元

对整个多通道光纤光栅传感解调系统的解调性能来说，处理器的选择是至关重要的.大量的数据传输、存储和处理，SPI通信，与上位机通信接口，这些功能的实现对处理器的速度和运算能力提出了很高的要求.本文选用STM32F107作为信号采集控制和数据传输控制芯片，此芯片功耗低，集成了各种高性能工业标准接口，具有硬件除法和单周期乘法功能，高达64kB 的SRAM，其具备SPI串口，可与AD芯片进行数据传输，具备USB OTG接口，支持最新USB技术，可实现通过USB向PC机上传波长数据和温度值.

2.3光电信号转换

光电探测器的选择在很大程度上影响着解调系统的精度，在设计多通道光纤光栅解调系统时为了保证系统的探测灵敏度和稳定性，本文采用山东招金光电子公司生产的InGaAs PIN型光电二极管作为系统的光电探测器，此光电探测器的光谱范围在1100～1650 nm之间，频带宽，响应速度快，光电转换灵敏度高.光电探测器输出的电流一般为微安（μA）级别，则必须选择输入偏置电流小、失调小、增益高、响应快、漂移低和性能稳定的放大器作为前置放大器.本文采用ICL7650为前置放大器，完成电流信号到电压信号的转化以及放大，再由OP27组成的主放大电路进一步放大，以满足AD芯片的转换要求，系统检测的温度信号属于静态或准静态的低频信号.为了提高系统的分辨率，设计了低通滤波电路对高频热噪声进行滤波处理，最终输出稳定的电压信号.

2.4 A/D芯片选型

AD芯片的选择主要从3方面考虑：输入信号量程、输入信号的带宽和精度.本文设计的光电调理放大电路输出电压限制在0～2.5 V，待测信号属于静态或准静态信号.为了确定所需AD芯片的精度，搭建的实验平台如图4所示.

图4　光电调理放大电路特性测试实验Fig.4 Test experiment of characteristics of photoelectric conditioning circuit

图4中，将光源输出的光经3 dB耦合器按1∶1分光后分别输入光电探测器和光功率计，光功率计记录的值可认为是光电探测器的输入光功率，调节宽带光源的输出功率，记录光功率计的值和电压表的值，通过线性拟合，得到光电调理放大电路输出电压V和输入光功率Ps的关系式：

从式（8）可得，光电调理放大电路的光强响应度为0.000 574 52 V/nW.

实验中将AWG的输出光接入到光功率计中，将FBG传感器置于高低温实验箱中，每隔0.1℃记录一次光功率计的值，测得AWG输出光功率的最小变化量0.2 nW.由式（8）得，光电调理放大电路的输出电压最小变化值为0.000 115 V，因此为了实现精确解调，必须选用高精度的AD转换芯片.

本文采用TI公司生产的8通道、16位数模转换芯片ADS8345，该芯片最高采样频率达100 kHz，内部自带保持器，其选用2.5 V为产考电压，精度可达到0.000 038 V，满足实验要求.

2.5解调软件

光纤光栅解调系统的程序功能主要有配置AD芯片工作、接收AD芯片采集数据、利用光强法解调FBG传感器中心波长并将解调出的波长值及温度值通过USB上传给PC机，系统软件的主程序框图如图5所示.

图5　主程序框图Fig.5 Main program block diagram

主程序首先调用系统初始化函数，完成系统时钟、I/O口、SPI、串行口的初始化，将端口PD0～PD7配置为通用推挽输出模式，用于4个通道板上的8个ADS8345芯片的片选，ADS8345与STM32F107之间采用SPI通信模式，设置STM32F107的SPI1为主模式，NSS管脚设置为软件模式，控制ADS8345的8个通道按顺序进行A/D转换，通过DMA方式将SPI_DR中的采样结果送至指定的内存单元中，采用过采样的方法，多次采样求平均值，一次循环采样结束后，对各通道求得的采样平均数带入波长解调公式，解调出波长值和温度值，最后通过USB进行发送，发送结束后继续进行下一次采样循环.

3　多通道光纤光栅解调实验及结果分析

本文以单通道为例，通过实验验证多通道解调系统的可行性.解调实验选择SLED（深圳市众望达光电有限公司）作为系统光源，输出光功率典型值为11 mW；AWG（奥康光通器件有限公司）通道中心波长范围为1 545.30～1 560.50 nm，信道间隔为100 GHz；被测FBG传感器的中心波长分别为1 546.44、1 548.01、1 549.79、1 551.25、1 552.90、1 554.61、1 555.85、1 557.84 nm，波长间隔为1.6 nm，如图6所示.

图6　8个串联FBG的中心波长Fig.6 Central wavelength of 8 series FBG

3.1系统的精度

完成系统各模块的调试后，按图3所示搭建实验平台，以单通道为例，将8个串联的FBG传感器置于高低温实验箱中，温度从20～60℃变化，利用本文设计的光纤光栅解调系统测量其中心波长，每隔5℃记录一次FBG传感器的中心波长值.为了保证测量的准确性，在温度达到设定值后先稳定10 min后再记录数据，并以MOI公司生产的Si725型光纤光栅传感分析仪所标定的FBG1—FBG8的中心波长作为真实值与实验测量值做对比，结果如图7所示.

由图7可知，实验测量值与标定值相当吻合，各个FBG传感器中心波长实验测量值与标定值的绝对误差不大于0.02 nm.

图7　FBG中心波长与温度的关系曲线Fig.7 Relationship curve between FBG center wavelength and temperature

3.2系统的稳定性

将1个FBG传感器（篇幅所限，以中心波长为1 552.90 nm的FBG传感器为例）置于高低温恒温箱中，分别设定温度为25、30、35、40、45、50、55℃，每个温度连续测量1 h，每隔5 min记录一次数据，将不同温度下测得的数据求相对于设定温度的方差，得到如图8所示的测量误差的方差随温度变化的曲线.

由图8可知，该多通道光纤光栅解调系统具有良好的稳定性，浮动范围小于±0.1℃，即多通道光纤光栅解调系统对温度的检测值精度为±0.1℃.

图8　多通道光纤光栅解调系统稳定性测试结果Fig.8 Stability results for multi-channel fiber grating demodulation system

4　结语

针对光纤光栅传感解调这一问题，本文详细介绍了阵列波导光栅波长解调原理，提出了基于阵列波导光栅的多通道光纤光栅解调器的总体方案和软硬件设计，从理论和实验上验证了其可行性.实验结果表明，该解调器可以多通道、实时、定量监测光纤光栅传感器，具有较高的精度和较好的稳定性，解调温度误差不大于±0.1℃，FGB中心波长解调范围为1 545.30～1 560.50 nm，能同时对4通道的32个光纤光栅温度传感器的温度值进行检测，本研究为光纤传感器的应用奠定了基础.

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Multi-channel FBG sensor demodulation system based on arrayed waveguide grating（AWG）

LI Hong-qiang，SUN Jie，ZHANG Cheng，CHEN Xue-long，CUI Bei-bei，CUI Dian-yin，YUAN Dan-yang
（School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Abstract：A multi-channel fiber Bragg grating（FBG）sensor demodulation system based on arrayed waveguide grating （AWG）is designed，which includes light sources，isolator，coupler，optical loop device，FBG，AWG，photoelectric detector，the amplifying circuit，low pass filter circuit and the ARM control circuit. The temperature of FBG can be demodulated accurately with the technology of light intensity demodulation. The experimental results show that the measured demodulation error of the demodulation system is not more than±0.1℃，the demodulation range of FBG center wavelength is 1 545.30-1 560.50 nm. This multi-channel FBG sensor demodulation system can calculate 32 FBG temperature sensors in 4-channel simultaneously.

Key words：multi-channel；fiber Bragggrating（FBG）；arrayed waveguide grating（AWG）；ARM；demodulation system

通信作者：李鸿强（1975—），男，博士，教授，硕士生导师，主要研究方向为光纤光栅.E-mail：lihongqiang@tjpu.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金资助项目（61177078，61307094，31271871）；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20101201120001）

收稿日期：2015-07-14

DOI：10.3969/j.issn.1671-024x.2016.02.013

中图分类号：TN247；TN253

文献标志码：A

文章编号：1671－024X（2016）02－0065－07