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长周期光纤光栅(LPFG)对温度、应变、液体浓度等外界环境变化的敏感度要远高于光纤布拉格光栅(FBG),在传感领域具有广泛的应用前景。然而LPFG的传感信号解调技术尚不成熟,大大制约了LPFG在传感领域的应用。针对现有LPFG传感信号的解调方法进行分析与评述,着重介绍了基于边沿滤波技术、法布里珀罗(F-P)腔扫描滤波技术和阵列波导光栅(AWG)技术的几种解调方案,并对各个方案在解调精度、速度、成本等方面进行了比较与分析。此外,介绍了实现LPFG复用解调的方法,并在总结已有技术优缺点的基础上对LPFG信号解调技术的发展趋势进行了展望。
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激光与光电子学进展
49
,
080004
(
2012
)
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○
C
2012
《中国激光》杂志社
长周期光纤光栅传感信号解调技术研究现状
王清伟
刘月明
田维坚
冯桂兰
(中国计量学院光电学院,浙江 杭州
310018
)
摘要
长 周 期 光 纤 光 栅 (
LPFG
)对 温 度、应 变、液 体 浓 度 等 外 界 环 境 变 化 的 敏 感 度 要 远 高 于 光 纤 布 拉 格 光 栅
(
FBG
),在传感领域具有广泛的应用前景。然 而
LPFG
的 传 感 信 号 解 调 技 术 尚 不 成 熟,大 大 制 约 了
LPFG
在 传 感
领域的应用。针对现有
LPFG
传感信号的解调方法进行分析与评述,着重介绍了基 于 边沿滤 波 技术、法 布 里 珀罗
(
FP
)腔扫描滤波技术和阵列波导光栅(
AWG
)技术的几种解调方案,并对 各 个方案 在 解调精 度、速度、成 本等方 面
进行了比较与分析。此外,介绍了实现
LPFG
复用解调 的方 法,并 在 总 结 已 有 技 术 优 缺 点 的 基 础 上 对
LPFG
信 号
解调技术的发展趋势进行了展望。
关键词
光纤传感;信号解调;长周期光纤光栅
中图分类号
TN253
文献标识码
A
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:
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060.2300
;
000.3110
;
060.2370
收稿日期:
20120215
;收到修改稿日期:
20120326
;网络出版日期:
20120521
基金项目:浙江省重大科技专项(
2010C11068
)和浙江省自然科学基金(
Y1091078
)资助课题。
作者简介:王清伟(
1987
—),男,硕士研究生,主要从事光纤光栅解调方面的研究。
Email
:
w
q
w1987126
@
sina.com
导师简介:刘月明(
1967
—),男,教授,硕士生导师,主要从事微光机电系统和光纤传感技术等方面的研究。
Email
:
liu
y
m
@
c
j
lu.edu.cn
(通信联系人)
1
引
言
光纤光栅技术自诞生就受到了高度的重视,关于其研究与应用也不断地深入与成熟。 光纤光栅发展至
今已有
30
多年,其种类逐渐多元化,根据不同的出发点形成了多种分类方法。 最基础的是根据周期长短进
行划分。一般来说,周期小于
1
μ
m
的光纤光栅被称为短周期光纤光栅,也就是人们熟知的光纤布拉格光栅
(
FBG
)。周期从几十至几百微米的光纤光栅被称为长周期光纤光栅(
LPFG
)。
光纤光栅在通信与传感领域都有着极其重要且广泛的应用。在传感领域中,光纤光栅有着灵敏度高、抗
电磁干扰能力强、耐腐蚀、可遥测、体积小巧、价格便宜、可埋入工程材料及能够进行分布式测量等诸多优点,
因此受到了极高的重视。
0800041
49
,
080004
激光与光电子学进展
www.o
p
tics
j
ournal.net
关于
FBG
在传感领域应用的研究一直都是热点,在其制作 工艺、结构 设计、应用 方式、解 调技 术等 各个
方面都已经取得了极大的成就,其相关技术很多 都已 成熟 并实 现商 品化。
LPFG
包层 模的 有效 折射 率受 外
界环境影响较大,使其本身谐振波 长和 幅值 对 外界环 境 的变化 异 常敏感。 这使
LPFG
在温度
[
1
,
2
]
、应 变
[
3
]
、
浓度
[
4
,
5
]
、弯曲
[
6
~
8
]
灵敏度上都要远高于
FBG
,因 此
LPFG
在传感 领 域应当 具 有比
FBG
更为广 阔 的应用 前
景。然而实际情况是
LPFG
在传感领域的应用要远远滞后于
FBG
。
制约
LPFG
在传感领域应用的主要原因 是
LPFG
传感 信号 的解 调技 术尚 不成熟,目 前还没 有 低成本、
高性能、产业化的解调仪器。而
FBG
传感信号解调技术已经实现了全面的产业化。同时
LPFG
具有较大的
损耗峰带宽
,其透射 式 的 工 作 模 式 导 致
LPFG
复 用 效 率 低,且 不 像
FBG
容 易 实 现 复 用 调 制 与 解 调,这 令
LPFG
难以满足现今传感系统对多点式、分布式测量的需求。此外
LPFG
传感 器在 批量 生产 中光 栅一 致性
的工艺问题也是一个原因。本文对
LPFG
传感 信号 的解 调方 法进 行 综述,分析和 比 较了几 种 解调方 案,并
对解调技术的发展趋势做了展望,以期为
LPFG
更好地应用于传感领域提供参考。
2
光纤光栅传感解调技术
FBG
的传输特点是传输方向相反的模式之间发生耦合,反 射谱 如图
1
(
a
)所示,可将 其视 为反 射型 的带
通滤波器;
LPFG
的特点是前向 传输的 纤 芯基模 和
P
阶包层 模 发生耦 合,无后向 反 射,透 射 谱 如 图
1
(
b
)所
示,可将其视为透射型的带阻滤波器。
图
1
(
a
)
FBG
反射谱和(
b
)
LPFG
透射谱
Fi
g
.1
(
a
)
Reflectances
p
ectraofFBGand
(
b
)
transmissions
p
ectraofLPFG
对于传感系统而言,传感信号的解调技术直接影响到系统的性能以及实用化程度。光纤光栅是一种波
长调制型器件,无论是
FBG
还是
LPFG
,当 外部待 测 参量发 生 变化时,其 反 射或 透 射 波 长 将 发 生 相 应 的 漂
移
。根据波长漂移量与待测参量的对应关系,就可以求出待测参量的准确值。因此,光纤光栅传感解调技术
的主要目的就是求出波长的漂移量。根 据 图
2
可知,对于
FBG
主要是 求 其反射 回 的窄带 信 号的波 长 漂移
量,而对于
LPFG
则主要是其透射谱损 耗峰 的波 长漂 移量。这 是二 者最 大的 区别,也 是导致
LPFG
传感信
号不易解调的主要原因。
图
2
(
a
)
FBG
和(
b
)
LPFG
中心波长漂移量
Fi
g
.2 Centralwavelen
g
thshiftin
(
a
)
FBGand
(
b
)
LPFG
光谱分析法是最为传统同时也是精度最高的方法,它能够直接显示传感信号的光谱,因此能够准确地获
得
FBG
与
LPFG
传感信号波长的漂移量。 但光谱分析法 要 用到诸 如 单色仪、傅 里 叶变换 光 谱仪等 光 学仪
0800042
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