基于微波光子滤波器的传感系统综述

朱玉绚,桂 林,沈 青

(上海第二工业大学 a.环境与材料工程学院；b.计算机与信息工程学院,上海201209)

0 引言

随着低损耗光纤的出现和演进,以及光纤通信技术的发展与相关光纤器件的进步,光纤传感技术自20世纪70年代出现以来,得到了广泛的研究。光纤传感技术以测量光学量为基础方法,具有抗电磁干扰、灵敏度高、结构简单、尺寸小、与光纤结构兼容且能够远距离传输传感信号等优点,可广泛应用于航空航天、石油化工、电子电力、土木工程和生物医药等领域,也可以应用在智能结构监测领域,例如监测建筑物的健康状态。因此,对光纤传感的研究具有重大的理论意义和工程使用价值。

光纤传感的主要技术是从光学量的改变中提取待测量的信息,而光纤传感过程中待测量的种类繁多,因此对光学量的测量成为光纤传感中的关键技术。从测量技术分类来看,光纤传感技术包含测量器件谐振谱线改变的光谱测量类技术、测量功率改变的功率测量技术以及测量时域脉冲或信号波形改变的时域测量技术。总体而言,这些技术都需要针对光学量进行测量,而某些光学量的高精度测量本身就是亟待解决的问题,它限制了光纤传感的精度。以光纤传感中最常用的光纤布拉格光栅(f i ber Bragg grating,FBG)传感为例,基于谐振波长随温度或应力改变的光纤光栅传感技术虽已得到广泛的应用,但高精度的温度或应力传感需要测量pm量级波长改变的高精度光谱仪,极大地增加了光纤光栅传感系统的成本。

近年来,随着微波光子(microwave photonics,MWP)技术的发展,MWP技术在高频电信号产生、高频电学信息处理等方面已展现出显著优势,能够克服传统电信号处理器中因采样速度有限造成的固有瓶颈,具有广泛的应用前景。光传感技术的研究人员从MWP技术的发展中得到启发,希望将MWP技术应用于光纤传感,通过对某些微波参量的测量来提取待测量信息。因此,研究人员尝试着将MWP技术应用于光纤传感领域,并开展开拓性研究。例如,MWP技术在处理宽带微波信号时,易于在微波领域所关注的波段形成MWP滤波器,进而对该频段的微波信号进行处理。研究人员从而联想到能否在MWP滤波器中加入某些对温度或应力等参量敏感的光纤器件,通过测量MWP滤波器的频率响应得到温度或应力等待测参量,进而实现光传感。

不同于已有的光纤传感技术,由于该类传感技术一般需要加入微波对光信号的调制环节,同时在接收端具有一个将微波信号解调的结构,因此将这类传感技术叫做MWP解调技术或者MWP传感技术。自2008年香港理工大学提出一种基于射频信号测量的强度调制FBG传感系统以来,不断有研究人员在该领域开展研究。

本文主要对利用FBG作为传感器件的有限脉冲响应(f i nite impulse response,FIR)型和无限脉冲响应(inf i nite impulse response,IIR)型结构的MWP滤波结构的研究进展进行综述,介绍MWP滤波器进行光传感的基本原理,分析了典型系统的关键参数,并对MWP传感研究中存在的问题进行了分析,最终对该技术的发展进行了展望。

1MWP滤波器结构及原理

1.1MWP滤波器结构

MWP滤波器是一种针对宽带微波信号最为重要的光子信号处理技术。采用MWP滤波器可以增强电信系统和雷达射频系统中使用的标准微波滤波器的功能,从而具有更大范围的可调谐性、可重构性,且兼具抗电磁干扰等一系列优点。图1所示为采用MWP滤波器后射频系统的结构变化。

随着MWP技术的发展[1],实现射频信号的光子处理变得更加方便和具有成本优势。HERVAS等[2]提出利用MWP滤波(microwave photon f i lter,MPF)技术的传感方法。在这些方法中,传感器的解调过程均在微波域中进行[3]。对于基于MPF的传感方法,使用的是“微波干涉仪”,而非传统的光纤干涉仪。为了形成有效的“微波干涉仪”,MPF的传感方法首先通过电光调制器(electro optic modulator,EOM)在光波上调制射频(radio frequency,RF)信号,该系统中的光源可以是宽带光源(broadband optical source,BOS)或连续波(continuous wave,CW)激光器。然后,利用基于光纤干涉仪或带有FBG的光学子系统构成MPF,进而形成传感元件。最后,通常通过跟踪MPF频率响应中的谐振频率来获取温度等待测参数,或应用其他信号处理方法来增强传感性能。

图1采用MWP滤波器的RF系统结构Fig.1 RF system structure with MWP

如图1所示,一个完整的MWP滤波器传感系统主要包括光源(A)、调制器(B)、干涉仪(C)和光接收机(D)4个部分。其中,光源的特性和干涉仪的结构对于MWP滤波系统的性能提升至关重要。

(1)A:MWP滤波器的光源部分。在构成MWP滤波器系统时,光源可采用单光源(single source,SS)和多光源(multiple source,MS),SS一般使用单个光源如激光器、BOS等来实现,而MS一般采用多个独立激光器阵列、采用光学频率梳或者BOS光谱分割技术等方法来实现。

(2)B:MWP滤波器的调制部分。在MWP滤波器的系统中,一般通过外调制的方法对输出光进行调制,调制器一般采用EOM。

(3)C:干涉仪部分。对于干涉仪来说,常见的结构有两种,即IIR MWP滤波器(IIR-MPF)以及FIR MWP滤波器(FIR-MPF)。

IIR-MPF:即滤波器的抽头数无限多的MPF。图2所示为一个基本的IIR-MPF结构图,其采用单个光源,光信号在光纤环中每经过一圈就形成一个抽头,这样光信号理论上在光纤环中无限循环形成了IIR-MPF。图中所用调制器为马赫增德尔调制器(Mahzendel modulator,MZM)。

图2 IIR-MPF结构图Fig.2 Structure of IIR-MPF

FIR-MPF:即滤波器抽头数有限的滤波器。图3所示为一个典型的FIR-MPF的结构图,该结构仍然采用单个光源,光信号通过1分N路的光分束器先分成N路,每一路抽头权值可以分别用可调谐衰减器(variable optical attenuator,VOA)调整,用不同长度的光纤保证相邻抽头的延时差(T)恒定,最后再通过1分N的光分束器将各路信号叠加,经过光电探测器(photodetector,PD)探测,形成FIR-MPF。

图3 FIR-MPF结构图Fig.3 Structure of FIR-MPF

1.2 MWP滤波器实现传感的原理

为了提高MPF传感方法的灵敏度,所采用的系统通常具有如下特点:MPF某些分支中微波时延对所测传感参数(如温度或压力)具有较高的敏感度。因此研究人员在传感方法和传感元件设计方面进行了大量研究。

对于将光纤作为传感元件的情况,HUANG等[4]提出基于不平衡马赫曾德尔干涉仪(unbalanced mach Zehnder interferometer,UMZI)的MPF,在该结构中谐振频率的偏移量很小。因此,CHEN等[5]采用了蓝宝石光纤迈克尔逊干涉仪来提升性能。对于以FBG作为传感元件的情况,XU等[6]提出了通过检测RF信号的强度来研究UMZI性能的方案。如果传感元件是由置于BOS后面的传感器构成的非相干光源,则MPF响应将随FBG共振波长的变化而变化[1],或随光谱切片的改变而变化[6]。除了单一的MPF,一些研究人员还开发了一种通过两个级联纤维环增强灵敏度的方法,该环形成具有游标效应的两阶段IIR-MPF[17]。

图4所示为MWP传感方法进行温度传感的过程。温度通过影响光纤光栅的折射率Δλ,改变MWP滤波器的响应函数H(f),最终的输出信号强度是MWP滤波器的响应函数与输入射频功率的乘积,即在输入射频功率一定的情况下,输出射频功率随频率的变化曲线携带了温度的信息。

图4温度传感过程Fig.4 Process of temperature sensing

MWP滤波器的响应函数H(f,T)如下式所示:

式中,Vin(f)为输入信号频谱；Vout(f)为输出信号频谱；H(f,T)为随温度变化的MWP滤波器的频率响应。由于该频率响应中信息众多,所以检测温度改变时,往往采用谐振频率改变的方法,或者固定一个频率,检测该频率条件下射频功率随温度的变化,进而得到温度信息。

最终,输出信号强度VRF(f)如下式所示:

式中,an和τn分别为MWP滤波器的抽头系数和支路延时；n为序号,N为微波光子滤波器的总节点数。在实验中,an和τn可以由光衰减器和光纤延时线来实现。由于光学器件的进步,未来这些器件可以采用光子集成方式实现。

2MWP滤波器应用于光传感研究进展

本文针对基于FIR和IIR的两种MWP传感结构进行了综述,总结了各种结构所用光源、所采用的干涉仪结构、检测方法,以及最终的系统灵敏度,如表1所示。

表1 2015年以来的一些重要文献总结Tab.1 Summary of some important documents since 2015

2.1 FIR-MPF用于光纤传感的研究进展

2008年3月,香港理工大学电气工程系光子学研究中心提出了一种基于射频信号测量的强度调制FBG传感系统。所用光源为BOS,检测方法为检测射频信号输出功率,最终得到的最大灵敏度为-0.34 μV/με[1]。

2012年2月,美国密苏里理工大学与天津大学的研究人员提出了一种应用于传感的光纤射频马赫曾德尔干涉仪(radio frequency mahzendel interferometer,RF-MZI)。光源采用连续激光,通过矢量网络分析仪来检测该系统的微波频率响应,进而得到的如下传感结果:在传感臂为100 m的RF-MZI实验中,得到了-6.1 kHz/℃的灵敏度,这与-6.093 kHz/℃的预测值非常吻合。此外,总温度变化产生了274.5 kHz的频率偏移,该频率偏移在该传感器的自由光谱范围(free spectral range,FSR)(2.04 MHz)范围内[3]。

2013年,西班牙瓦伦西亚政治大学ITEAM研究所与瑞士洛桑联邦理工学院电气工程学院提出了一种基于长FBG[长10 cm,反射率≈99%,光高宽(half height and width,FWHM)≈14 GHz]的 MWP传感器解调新技术,并对其进行了实验研究。所用光源为连续波激光器与半导体光放大器,最终用矢网分析仪检测得到结果,利用带宽＜1 GHz的调制器和PD,可以沿FBG探测到空间精度＜0.5 mm的几个热点(探测点)[7]。

2013年,美国密苏里科技大学与美国罗德岛大学提出了一种利用微波辅助分离和重构光谱域光干涉图的分布式光纤传感技术。该方法包括通过级联光纤干涉仪发送微波调制光信号。利用微波信号来解析光纤上各传感器的位置和反射率,与传统的基于光谱域傅里叶变换的复用方法相比,该方法不受光源带宽的限制,具有复用更多传感器的优点。该技术有望在测量各种物理、化学和生物参数方面得到广泛的应用[8]。

2014年,美国克莱姆森大学提出了一种基于光载波的微波干涉空间连续分布式光纤传感技术,干涉方法为通过在熔合拼接期间故意使光纤错位,在单模光纤(SMF-28e)上溶接了6个弱反射点。经过实验,最终得到了-2.26 kHz/με的传感灵敏度。该技术在微波域中对许多具有相同或不同光程差的光学干涉仪进行检测,并对它们的位置进行定位,也可用于其他类型的波导或自由空间干涉仪,并用于各种物理、化学和生物量的分布式测量[9]。

2015年6月,Herv´as等[10]提出了一种级联7个标准FBG组成多路的准分布式温度/应力传感器的设计方法,并进行了实验验证,其结构如图5所示[10]。通过20 GHz电响应和1 kHz中频带宽的扫描系统测量32 000个数据点,扫描时间为20 s。在光谱分析仪(optical spectrum analyser,OSA)中监测FBGs反射的光谱,以便比较测量不同位置加热被测器件(device under test,DUT)引起的光纤光栅波长的位移。实验最终结果为,当FBG在1 540.6 nm处被加热时在OSA中观察频谱位移,参考FBG位置由室温下1 540.606 7 nm的光纤光栅波长确定,通过加热,最终的结果为该波长移动0.571 1～1541.177 8 nm。

图5 级联7个标准FBG的多路准分布式温度/应力传感装置示意图Fig.5 Schematic diagram of multi-channel quasi distributed temperature/stress sensing device with seven standard FBGs

将微波调制的光信号发射到FBG级联中,然后在标准单模光纤中进行色散,从而将不同的Bragg波长映射到确定光链路电脉冲响应峰值的RF延迟中。通过使用VNA记录链路在DC-20 GHz范围内的射频响应,然后进行傅里叶逆变换,根据脉冲响应峰值的位移确定Bragg波长的位移。由所使用的总色散、原始VNA数据的零填充长度及其RF带宽决定,最终得到FBG波长测量的分辨率为14 pm。

2016年1月,厦门大学与华南师范大学提出了一种基于单通带射频滤波器的光纤干涉型传感器传感解调系统,并对结构为光纤RF-MZI的温度传感器进行了实验验证,其结构如图6所示,当传感光纤长度分别为1、2和4 m时,温度的传感响应率分别为10.5、20.0和41.2 MHz/°C[5]。图6中EDFA为铒光纤放大器。

图6基于SUI的光纤干涉仪传感系统的原理图Fig.6 Schematic diagram of sensing system of optical f i ber interferometer based on SUI

2016年1月,华中科技大学夏历研究组提出了一种用于FBG传感器解调的射频UMZI(RF-UMZI),并完成了应变式FBG的测试,其结构如图7所示,在585 MHz的微波频率上,通过检测射频强度得到了0.008 4 a.u./με的应力传感精度。进一步的仿真结果表明,如果在干涉系统中适当地使用两个典型的0.06 nm/cm啁啾的光栅和6 km长的色散补偿光纤,并监测3 GHz左右的谐振频率和适当的初始相位差将大大提高平均灵敏度至 0.85 a.u./με,约为当前水平 (0.008 4 a.u./με)的 100倍。图中ASE为放大自发辐射光源；Circulator为光环形器；EOM为电光调制器；Spectrum Analyzer为频谱分析仪。由于其工作在非相干区而非相干区,为现有的稳定性问题提供了理想的解决方案。具有分辨率可调、灵敏度极高等显著特点[11]。

2016年2月,夏历研究组提出了一种基于微波网络分析的超短FBG分布式光学传感系统,其结构如图8所示[12]。整个传感系统为多抽头MWP,滤波器结构中加入了两臂间有光纤延迟线的移位高斯滤波器,具有灵敏度和范围可调、基于强度的检测速度快、范围宽 (潜在值＞14 000 με)、抗非均匀参数分布干扰等优点。实验所得结果为,在滤波器波长偏移1 nm的时候,最大灵敏度可达到 6.5 mdB/με[12]。

图7基于RF-UMZI结构的光纤光栅传感系统原理图Fig.7 Schematic diagram of FBG sensing system based on RF-UMZI structure

图8(a)分布式传感系统的基本结构；(b)多抽头MWP结构,其工作等效于红色虚线块中的传感系统部分Fig.8 (a)Basic structure of distributed sensing system；(b)The structure of multi tap MWP f i lter is equivalent to the sensing system in the red dotted block

2016年8月,南京师范大学王明研究组首先提出了一种利用MWP滤波技术进行横向载荷传感的新型光纤光栅传感器,并进行了实验验证。研究了滤波器相对于横向载荷的频率响应,通过检测陷波MWP滤波器的共振频移,可以确定横向载荷。理论和实验结果表明,与传统的基于光谱分析的光纤光栅传感器相比,该传感器具有更高的分辨率。对于长度为18 mm的传感光纤,传感器的灵敏度高达2.5 MHz/N。此外,灵敏度可以进行调整[13]。

2017年5月,西班牙ITEAM研究所将低相干干涉(low coherence interference,LCI)技术与MWP相结合,提出了一种多路传感系统,其结构如图9所示。图中(a)表示当仅考虑一个传感器并且测量的光程差(2.1 mm)产生位于5 GHz的RF谐振时VNA捕获的电传递函数的示例。通过监测每个传感器产生的光程差,可以在传感器阵列中测量物理量的变化。光源为BOS和光通道控制器,BBS的总带宽为80 nm,光路控制器(optical channel controller,OCC)的中心位于1 546.92 nm,可通过48个带宽为0.8 nm的通道进行控制,每个通道的衰减可以独立修改。该方法通过引入可调振荡器和RF检测器替代VNA的检测方式,使RF中心频率的变化接近数百MHz,可以实现低于10 μm的光程差精度[14]。图中BPD为平衡探测器；FC为偏振控制器；VDL为可变延迟线；Head sensors array为主传感器阵列。

2019年,LI等[15]提出并验证了一种基于低相干干涉技术和色散介质相结合的反射式双通谱切片传感的高性能MWP传感系统。该传感系统利用高斯功率密度谱成功地实现了5.56 GHz/mm的高转换斜率和124 μm的近似恒定分辨率。

2.2 IIR型MWP滤波器用于光纤传感的研究进展

图9 MWP LCI多路复用传感结构布局示意图Fig.9 MWP LCI multi-channel sensor structure diagram

图10级联光纤环形传感器原理图Fig.10 Schematic diagram of cascaded optical f i ber ring sensor

2017年9月,华中科技大学与厦门大学的研究人员共同提出了一种利用光纤环级联MWP滤波器产生的游标效应的温度传感器,并进行了实验研究,其结构如图10所示。实验结果表明,频率在1、1.5和2.5 GHz左右的上包络的陷波点作为检测基准点做出的拟合结果,其级联光纤环传感器的灵敏度分别为-226.818、-345.38和-556.856 kHz/℃,与单光纤环形温度传感器相比,级联光纤环形传感器的灵敏度可提高30倍左右[16]。

3 总结与展望

由于MWP滤波器结合了光器件对待测量的敏感性和在微波域处理信息的潜在优势,因此,采用MWP滤波器方法进行传感的研究得到了较快发展。但是针对采用MWP滤波器进行传感的研究还有许多有待解决的问题,例如:

(1)针对MWP传感系统中部分原理性问题的研究。虽然国内外的研究人员对MWP滤波器应用于光纤传感的基本原理进行了阐述,但是,仍然缺少对MWP传感系统定量的深入分析。值得注意的是,MWP传感的常用光源并不是光纤通信中采用的激光光源,而是大量文献中提到的BOS,即采用掺铒光纤放大器直接输出的非相干光,而非相干光的调制特性还很少有人研究,这直接关系到该传感系统的噪声性能,以及由噪声所决定的传感器性能,在今后的研究中仍需进行深入的分析。

(2)不同结构的干涉仪对MWP滤波器测量温度(应力)等待测量的性能极限分析。虽然已有报道陈述了MZI干涉仪等结构的MWP传感性能,但在MWP传感中,这些干涉仪的传感极限与性能分析还有待进行深入研究。

(3)MWP传感的测量方法问题。基于VNA的扫频测量与基于特定频率射频强度的测量是MWP传感中常用的两种方法,而这两种测量方法的差异对温度(应力)等待测量精度的影响,也是研究普遍关心的问题。

这当中有不少问题涉及到MWP系统的基本原理,需要在机理层面进行深入研究,例如,为了增加测量的灵敏度,需要研究MWP链路中噪声积累等问题,进而研究MWP接收端的信号处理算法,而这些方面在当前的研究中,尚缺少较为完整的理论分析,有待后续的研究逐步完善。