高速多通道光纤光栅传感解调关键技术研究

摘 要：传感器以物联网技术为依托，近年来取得了快速的发展，其中光纤光栅传感器凭借无源、强抗电磁干扰及绝缘性质叫广泛应用在电子传感器无法涉及的恶劣环境中，受到越来越多的重视。但传统的光纤光栅传感器逐渐无法满足现在的需要，特别是在多点监测以及动态监测领域。本文将对高速多通道光纤光栅传感解调的关键技术进行简要的介绍，希望可以为相关的研究者们提供参考性的建议，推动光纤光栅传感器的快速发展。

关键词：高速多通道;光纤光栅;传感器;解调技术

引言

物联网技术作为推动人类社会迈向智慧型社会的重要力量，得到了充足的发展，其中尤以作为物联网感知重要手段的传感器为甚，其发展日新月异。光纤光栅传感器是一种新型传感器，具有无源，电绝缘及强抗电磁特性，突破了传统电子类传感器的应用场景限制，给物联网的发展带来更多的可能[1]。但在航空航天、工业测量等高速动态领域，一要实现高频传感信息的高速解调，二要实现物理量的多点监测传统的光纤光栅解调仪器由于解调频率的局限性，在动态测量领域未能充分发挥光纤光栅传感器的优点，而大多数能高速解调的系统往往价格昂贵且对环境变化敏感，无法满足监测需求。因此，开展高速多通道传感解调技术的研究，实现了传感解调系统，对于进一步促进光纤传感在高频领域的应用具有重要的意義。

一、相关原理概述

1.1光纤光栅传感技术原理

光纤Bragg光栅是一段经过特殊加工处理的光纤，一般通过相位掩膜技术制作，使纤芯的折射率经过掩膜相位调制的紫外光作用后呈现周期性变化。FBG的工作原理相当于一个窄带滤波器。当入射光为一束宽谱光时，由于光传输波导条件的改变，其中符合FBG中心波长的光波，将被反射，不符合中心波长的光波，将从FBG透射出去。

纤芯折射率和光栅周期决定了FBG的反射中心波长。当所处的环境温度发生改变或者受到外界应力时，会影响FBG的折射率和FBG的反射周期的数值产生变化。FBG折射率和FBG反射周期的改变一定会引起的中心波长的改变。根据FBG反射回来的中心波长的变化量可以获得物理参量的变化情况，实现传感功能。

1.2光纤光栅传感解调技术原理

目前光纤光栅传感解调技术的方法较多，主要有光谱仪检测法、滤波器解调法、干涉仪解调法、可调谐光源解调法以及衍射光栅解调法[2]。

光谱仪检测法实现简单，系统搭建容易，通过直接观测光谱仪上的波长变化，就能得到传感信息，一般在科研环境下进行方案的探索与验证。该解调方法的性能取决于光谱仪性能，一般基于衍射光栅或色散棱镜原理的制作的光谱仪精度低解调速度慢，而优秀的光谱仪价格昂贵、体积大、不方便工程应用。

滤波器解调法主要是当宽谱入射光经过光环形器照射到FBG传感器时，反射回来的光波，原路返回后从光环形器的尾端进入光纤F-P滤波器，滤波器的带通范围如果与光波波长重合，光电探测器捕获到的透射光的光强将会达到最大值，此时通过查询压电陶瓷的控制电压就可以得到电压波长的关系，实现解调。

干涉仪解调法主要原理是利用光的相干特性，通过相位差计算波长值。

可调谐光源解调法主要是基于可调谐光纤激光器光源和可调谐半导体光源的解调技术的原理相似，通过驱动电压控制窄带光源在周期内连续输出，经过光耦合器到达FBG传感器，当窄带光源和FBG的中心波长值相似时，PD的电压值达到最大，通过对电压值进行处理实现解调。

衍射光栅解调法的原理就是利用聚光透镜将不同波长的散色光波聚焦到在一维方向上分布着许多像素点的铟砷化镓探测阵列上，再将点阵上输出的电压信号经过电处理单元后，运用寻峰算法对离散的峰值电压数据进行拟合，计算出光纤光栅的中心波长，实现解调。

二、高速多通道光纤光栅传感解调系统及关键技术研究

2.1寻峰算法研究

FBG反射光的波峰峰值点可能落在两个 Pixel之间的点，仅靠直接比较法筛选幅值最大的像素点来实现FBG中心波长的解调存在相当大的误差。因此，如何准确寻找FBG反射光波峰的峰值点是实现波长解调的关键。

对于解调系统的实际情况，选用更加合理的寻峰算法是十分重要的。是需要着重考虑的问题。比较各种寻峰算法各自的优势与局限性，其中高斯拟合法的解调精度最髙，计算速度最慢;质心法的计算速度最快且远远超过髙斯拟合算法，但解调精度相对较低且容易受到波形非对称的影响;多项式拟合法性能处于两者之间，但计算速度与高斯拟合算法比较接近。因此，寻峰算法的选择和改进需要克服高速解调的实时性问题并实现准确寻峰。

2.2光开关多路通道采集方案

光开关工作模式可分为两种，通道自动扫描模式和单通道模式。其中单通道模式工作原理较为简单。对于多路通道采集主要是光开关在解调模块第n次采样和第n+1次采样之间发生一次通道切换，则能使光开关通道切换前后的光信号均被正确采样。如此，可以认为在接下来的每一个采样周期里，光开关均能成功实现通道的切换，使各个通道的光信号被正确采集。为了确保光开关自动扫描模式下不丢失光谱信息，需要光开关相邻通道切换时间小于采样时间。因此，光开关在多通道自动扫描的情况下，其通道切换时间与传感解调系统的采样频率成反比关系，即采样频率越高，所采用的光开关的相邻通道切换时间必须越小。

三、总结

总而言之，高速多通道光纤光栅传感解调的寻峰算法的优化，将使得光纤光栅传感解调技术变得准确且高速。光开关多路通道的切换时间的优化将会实现多通道自动扫描功能的实现，让光纤光栅传感器更进一步的快速发展。

参考文献：

[1]王宪楠， 刘钦臣. 光电技术在湿度传感器中的应用研究[J]. 科学与财富， 2018， 000（021）：141.

[2]王奇. 光纤光栅传感解调系统中通信接口技术研究[D]. 武汉理工大学.

作者简介：

刘笑东  男、1977  回族  籍贯：天津市 学历：大学本科  职称：工程师  主要研究方向：光纤  单位名称：中国电子科技集团公司第四十六研究所