光纤光栅解调仪校准方法研究

王新彤 李山东 郑光金 高业胜 赵 耀 尚福洲

(1.青岛大学，青岛 266001；2.中国电子科技集团公司第四十一研究所，青岛 266001)

1 引 言

光纤光栅解调仪可从光谱信号中检测出布拉格波长的变化，实现对光纤光栅传感器的波长编码信号的解调，是光纤光栅传感系统不可或缺的组成部分，其性能表现在很大程度上决定测量系统的测量范围、测量分辨率等参数，是光纤光栅传感应用的关键技术之一。其中，光纤光栅传感解调系统配置接口为10M以太网，配置功能强大的嵌入式计算机，通过TCP/IP协议可以自动将采集到的大量数据发送至上位机进行分析和存储，可以实现远距离的长期或定期监控与测量，在民用工程结构、电力工业、医学化学、航空航天及船舶等领域有着非常广泛的应用。波长校准是光纤光栅传感解调系统实用化所必须的，即通过试验建立系统输入与输出之间某种准确函数关系。光纤光栅解调仪的校准结果影响系统测量精度，目前，光纤光栅解调仪的校准还没有统一标准，通常是采用标准光纤光栅来进行的，但是存在波长标记点偏少和温度稳定性差的缺点。

2 光纤光栅解调仪工作原理

光纤光栅传感器是一种波长调制型传感器，其工作原理为光纤光栅谐振波长受外界参量的调制而发生变化，波长变化量同外界参量有确定关系来获得传感信息。光纤光栅解调仪对传感光栅的反射谱进行检测，分析波长编码，解调出传感信号。其工作原理是通过检测光纤光栅反射光中心波长的变化来得到待测外界物理量的变化，即对应的温度、应变等变化。本文中解调仪是基于可调谐F-P滤波器的解调原理，其原理框图如图1所示，主要由光源、解调模块、光纤光栅传感器、数据处理模块、上位机模块等部分组成。表征其性能的主要参数是中心波长和动态范围，中心波长是整个传感系统中的待测变量，其解调精度决定了系统对外界待测物理量的精确测量能力，而动态范围决定了解调系统中允许接入的光纤光栅传感器的数量。

图1 光纤光栅解调仪工作原理

3 校准传递件的研制

波长校准是解调仪定量检测的基础，校准结果直接影响光纤光栅解调仪的测量精度。由于F-P腔的结构和物理特性，当温度发生变化时，F-P腔的原始腔长会随温度变化而变化，导致光纤光栅的Bragg波长测量产生误差。标准传递件设计有温度控制系统，适应于复杂外界温度环境，并且在测量系统的工作范围内提供足够的校准波长点，提高系统测量精度。

3.1 校准传递件的组成

标准传递件采用的器件均为光无源器件，以F-P标准具为核心，标准传递件的结构如图2所示。2×2耦合器的一端通过隔离器与F-P标准具的一端连接，F-P标准具的另一端与环形器的一个端口连接，环形器的另外两个端口分别与耦合器的另一端以及反射负载连接。带有波长标记点的F-P标准具在解调仪的工作波长内产生一系列等间隔的波长点，可以通过波长标记点确定与之相邻的其它波长点的相对位置，保证校准数据具有较高的可靠性。同时采用TEC温度控制稳定F-P标准具的环境温度，避免标准具的中心波长随温度发生漂移，保证校准传递件的波长量值稳定。选用的耦合器、隔离器和环形器均为光纤型器件，与解调仪工作波长一致。

图2 光纤光栅解调仪校准传递件的结构示意图

3.2 F-P标准具的工作原理

F-P标准具的工作原理是基于平行平板的多光束干涉理论，利用两平板表面对光波的依次反射，反射回来的光波形成振幅递减的若干部分，并由各部分光波再次相遇产生干涉。如图3所示。入射光从标准具的1面入射，在两平板间反复反射产生多束相干反射光1、2、3、4…，在两平板间反复透射产生多束相干透射光1′、2′、3′、4′…，反射光和透射光均形成多光束干涉。

图3 F-P标准具工作原理示意图

其中

θ

为多光束的出射角，

θ

为其在平板内的入射角，所以相邻两透射光或反射光之间的光程差Δ可以表示为Δ=2

nh

cos

θ

(1)

式中：

n

——折射率；

h

——间隔。

对应差的相位

(2)

通常，对于多光束干涉装置，其折射率

n

和间隔

h

通常是定值，那么影响

φ

的因素只有倾角

θ

和波长

λ

。以非单色平行光入射时，此时

θ

固定，相位差

φ

为光波长

λ

的函数，由于多光束干涉，只有特定的波长

λ

附近才能在较宽的光谱范围内出现极大，当

θ

=0时，

λ

满足2

nh

=

kλ

(3)

用频率

v

可表示为

(4)

相邻极大值的频率间隔

(5)

由此可见波长极大值之间的频率间隔相等，且与腔长

h

成反比。每一条透射谱线或

λ

称为一个纵模，某一级干涉极大谱线的半值宽度Δ

λ

，可表示为

(6)

可以看到谱线宽度与腔长和反射率成反比。

通过以上理论分析，F-P标准具的作用是将一系列纵模谱线从输入的非单色光中选择出来，其频率间隔相等，且每条谱线的宽度与腔长和反射率成反比。因此研制基于F-P标准具的标准传递件，可以在一定的波长范围内得到多个等间隔的校准波长点，使得校准数据更加精确可靠。

3.3 低损耗光路集成

由于光纤光栅传感解调系统工作方式为有源，每个光纤通道同时具备光信号发射和接收检测功能，这样在校准过程中，要求考虑插入损耗和反射噪声的负面影响。标准传递件由多个分立的光纤型器件组成，如果使用光纤跳线进行器件连接，光纤接头处产生的插入损耗和反射噪声将会对传递件的性能产生很大影响。因此，采用光路集成技术，将小型化的光纤器件集成为一个整体器件，这样也便于进行温度控制。光纤型器件之间的连接采用熔接方式，通过控制放电电流和时间实现不同光纤之间的低损耗熔接，尽量避免标准传递件的光路损耗和反射噪声，提高波长解调精度和解调信号的信噪比。标准传递件的外部接头均采用FC/APC，并进行高精度研磨抛光，保证接头端面的回波损耗大于60dB，从而大幅减小解调系统的发射光在光纤连接处产生的反射噪声，避免标准传递件的发射光信号被淹没，提高波长解调精度。

1) 水胶比W/C大小是影响大孔生态混凝土力学性能的重要因素，在满足工作性能及浆体包裹均匀程度的前提下，尽量使用较低的W/C；

3.4 波长标记点的设计

由于标准传递件以F-P标准具为核心，其输出光谱为梳齿状，可以在1520nm～1570nm波长范围内提供一系列等间隔的校准波长点。但是在实际使用过程中，会出现不同解调系统中检测到的波峰数不一致的情况，因而无法具体确定每个波峰对应的波长值，因此设置一个波长标记点，利用光纤光栅的反射特性解决这个问题。

通过刻写特定波长值的光纤光栅，使得F-P标准具透射光谱中特定的波峰正好被光纤光栅反射掉，这样被反射掉的波峰处出现一个缺失，将此缺失作为波长标记点，因各波峰之间相对位置确定，就可以确定下各波峰对应的波长值，进而得到波峰与波长值之间的一一对应关系。这种波长定位的方法，不会影响标准传递件的整体结构，是一种最为简单有效的解决方案。

3.5 TEC温度控制

标准传递件以F-P标准具为核心制作，温度稳定性较好，但明显的温度变化也会使中心波长漂移。由于光纤光栅传感解调系统应用于不同复杂环境，环境温度会有较大的变化，标准传递件的量值会随温度变化产生一定的漂移，因此需要对传递件进行温度控制，保证传递件的量值稳定性。校准传递件是由小型的光纤型器件组成，考虑采用半导体制冷的方式进行温度控制。

图4是标准传递件温控部分的设计原理框图。温度传感器实时测量安放在TEC端的温控对象的温度，在温度测量电路中输出与测量得到的温度点相对应的电压值。温度设置电路由几个电阻和参考电压构成，设定一个点电压表示期望的温控对象温度。温度测量电路和温度设置电路产生的电压进入温度偏差放大电路，通过高精度运算放大器进行比较产生误差电压，产生的误差电压再经由高增益的放大器放大，再通过PWM控制器驱动控制外部的H桥输出。当温度传感器测量的环境温度偏离目标温度时，H桥向TEC输出制热或制冷电流，使被控环境温度向目标温度靠近，使系统达到平衡，而温度传感器实时测量温度传输到测量电路，如此形成一个闭环回路，不间断地对环境温度进行稳定控制。PID补偿网络构成系统的反馈电路，是影响TEC控制器的响应速度和温度稳定性的关键，通过实验调试优化参数使系统具有较好特性。

图4 温控设计原理图

通过采取以上技术措施，标准传递件可以在光纤光栅传感解调系统的工作波长范围内得到一系列带有波长标记点的校准波长点，根据波长标记点可以确定与之相邻的其他波长点的相对位置。同时F-P标准具采用TEC温度控制，可以保证标准传递件在不同温度环境下波长量值的稳定，提高环境适应性。

此外，考虑到远程校准时运输过程中的振动冲击，优化光纤器件布局，合理设计机械结构对校准传递件进行稳固的封装，同时对较为脆弱的光纤及其连接处用硅胶进行加固，可以大大减小运输过程中的振动冲击的影响，提高标准传递件的抗振性。

4 光纤光栅解调仪校准实验及结果分析

标准传递件研制完成后，需要对F-P标准具的输出波峰进行波长标定。目前，定标的方法主要有光谱扫描法和波长扫描法，其中光谱扫描法采用光谱分析仪进行测量，但是由于其自身分辨率的限制，波长精度无法满足解调仪的校准要求，因此选择波长扫描法对校准传递件进行波长标定。

4.1 波长扫描法

采用可调谐激光器对标准传递件的光谱进行扫描，测量原理如图5所示，设定有固定的波长步距和波长范围为波长扫描条件，调谐激光器输出光经过标准传递件后，功率计测出每一个波长点的对应测量值，而后由测试软件记录功率计的测量值，得到相应光谱曲线并进行分析测量。这种采用调谐激光器进行波长扫描的方法，其波长测量精度可达0.0001nm，能够满足光纤光栅传感解调系统的校准要求。

图5 波长扫描法测量原理图

4.2 硬件结构组成

标准传递件的量值标定采用波长扫描法，波长标定装置组成如图6所示，采用调谐激光器、光功率计和Keysight 8163B光波万用表配合测量，其中81960A调谐激光器波长分辨率为0.1pm，扫描波长精度±10pm，输出波长范围为1505nm～1630nm；81634B光功率计测量精度±2.5%，功率测量范围为-90dBm～+10dBm，其波长范围为800nm～1700nm。以上所述仪器的技术指标均能满足标准传递件的量值标定要求。

图6 标准传递件波长标定装置

波长扫描的流程如图7所示，首先需要设置扫描工作时调谐激光器的扫描参数：能够覆盖标准传递件工作波长范围的扫描起始波长、终止波长，以及合适的波长步距。81960A调谐激光器输出超低源自发辐射(SSE)信号,信号与源自发辐射噪声比(S/SSE)大于80dB/nm，显然在1520nm～1570nm范围内大于65dB/nm，输出光谱纯度高。运行波长扫描时，光功率计测量得到每个扫描波长对应的光功率值，然后由测试软件同步记录光波长和功率值，得到标准传递件对应的光谱曲线。通常情况下，为了保证扫描速度，调谐激光器会自动选择与输出光功率相应的量程范围进行波长扫描，这样使得光谱的测量动态范围小。采用了数据拼接的方法解决这个问题，在不同量程档上分别进行波长扫描，然后对数据进行拼接融合，得到全量程范围的扫描数据。得到标准传递件光谱曲线后，使用峰值检测函数得到各个波峰数据，然后使用多项式拟合的方法拟合波峰数据点，这样避免了在波长扫描过程中因光功率波动而产生的波长检测误差，相比直接检测功率峰值点的方法，能够大幅提高波长的定标精度，且重复性和稳定性也能进一步得到提高。

图7 波长扫描流程图

4.3 校准方法

将标准传递件接入光纤光栅解调仪的输入通道，根据波长标记点测量与该点左右相邻的各个波长点，计算测量值与标准值之间的差值，在校准装置中加入衰减器，通过逐步调节衰减器的衰减量完成光纤光栅解调仪动态范围参数的校准。校准方法首先是调节衰减器的衰减量，将其调为0dB，选择其中一个波长点作为标准，不断提高衰减器的衰减量，直到光纤光栅解调仪无法检测到该波长点；根据光路可逆原理，可知动态范围的校准值等于2×(衰减器插入损耗+衰减量)。

4.4 校准结果

根据校准方法，对标准传递件的每个波峰的波长值进行了测试，部分结果如表1和表2所示。

表1 标准传递件波峰值部分测量结果Tab.1 Somemeasurementofwavepeakofcalibrationtransmission序号测量值/nm平均值/nm重复性11520.33871520.33901520.33931520.33941520.33961520.33941520.33961520.33961520.33930.000321521.10041521.10041521.10071521.10081521.10061521.10091521.10091521.10091521.10070.000231521.86571521.86601521.86621521.86631521.86641521.86651521.86651521.86651521.86620.000341523.63021523.63021523.63061523.63061523.68061523.68081523.68041523.68041523.68050.000251523.39581523.39581523.39621523.39621523.39631523.39631523.39581523.39591523.39600.000261524.16091524.16131524.16161524.16191524.16211524.16211524.16231524.16231524.16180.000571524.92691524.92721524.92761524.92771524.92781524.92781524.92811524.92791524.92760.000481525.69641525.69671525.69711525.69711525.69701525.69731525.69731525.69731525.69700.000391526.46641526.46651526.46691526.46681526.46691526.46701526.46671526.46701526.46680.0002101527.23601527.23591527.23651527.23631527.23651527.23631527.23631527.23651527.23630.0002111528.00691528.00681528.00711528.00691528.00701528.00691528.00681528.00701528.00690.0001121528.77581528.77591528.77621528.77611528.77611528.77621528.77641528.77641528.77610.0002131529.54861529.54871529.54921529.54921529.54921529.54941529.54951529.54951529.54910.0003

表2 标准传递件动态范围测量结果Tab.2 Measurementofdynamicrangeofcalibrationtransmission测量值/dB平均值/dB51.5051.6051.5050.5951.0251.1051.0851.07

5 结束语

本文采用F-P标准具为核心器件研制了光纤光栅解调仪校准传递件，可以提供一系列的校准波长点，并且对F-P标准具进行了温度控制，保证了不同温度环境下标准传递件波长量值的稳定性。同时，采用2×2耦合器使得标准传递件具备两个输出端口，可同时满足单通道和多通道光纤光栅解调仪的校准需求。对标准传递件的量值标定方法进行了研究，通过采用波长扫描的方式精确标定了标准传递件每个波峰点的波长量值。在此基础上，使用标准传递件对光纤光栅解调仪进行了校准。结果表明，标准传递件的量值稳定可靠，能够很好地满足光纤光栅解调仪的校准要求。