論M—Z干涉儀的解調技術

【摘要】 光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）的研究和應用一直引起各國學者的廣泛關注，在傳感領域中也具有十分廣泛的應用，特別是用于一些重要的物理參數（如應變、溫度、壓力、超聲波、加速度、強磁場、力等）的準分布式測量。

【關鍵詞】 光纖Bragg光柵 光纖傳感 M-Z干涉儀 信號解調

一、M-Z干涉儀解調原理

激光器或其他適宜光源發出的相干光通過3db耦合器分成兩個相等的光束，一束為信號臂，另一束為參考臂。外場作用于信號臂，產生的調制信號與參考信號經第二個耦合器耦合形成干涉條紋，再分成兩束經光纖傳送至光探測器檢測，最后經信號處理，電路解調出外界被測信號。

二、相位檢測方法

各種干涉都為產生隨外界被測信號變化而變化的干涉條紋，只有利用光電探測器檢測干涉條紋光強的空間或時間分布才能最終解調出反映外界被測量變化的光相位差。

假設兩路光強度相等，根據雙光束干涉原理，干涉場光強為：

式中：I0為峰值光強，s（t）為信號光相位調制量，φs，φr分別為信號光和參考光的初相位，ωs，ωr分別為信號光和參考光的頻率。

設探測器的光電轉換系數為k，則其輸出的光電流為：

光相位檢測方式同信號光與參考光之間的頻率差Δω有關，根據Δω是否為零，可分為零差檢測法和外差檢測法。

三、非平衡M-Z干涉解調法

1992年，由A.D.Kersey等人提出的非平衡M-Z干涉解調法，如圖1所示。其工作原理是：寬帶光源發出的光經過耦合器入射到傳感光柵上，被反射后送入非平衡M-Z干涉儀，通過干涉儀把Bragg波長（λB）漂移量（ΔλB）轉化為相位變化（Δψ（λ））。當輸入光波變化時，輸出相位變化為：

式中n為光纖的折射率，d為干涉儀的兩臂長度差。由上式可見，只要用相位計探測出相位的變化，便可得知波長的移動量，另外，為了抵消直流零點漂移，可以利用一鋸齒型電壓（由信號源產生）控制壓電陶瓷，以調節干涉儀的一個臂，使干涉儀輸出為一調制光，以信號源為參考用相位計檢測輸出信號的相位，因相位計可檢測±180°，故波長可檢測范圍寬。實驗表明，此方案具有低于納級相對應變的傳感分辨率，當所檢測的應變振源頻率為10HZ時，分辨率為2n/（n為納相對應變），振源頻率為500Hz時，分辨率為0.6n。

此方案具有寬帶寬、分辨率高等優點。

四、外調制M-Z干涉解調法

外調制M-Z干涉解調原理圖如圖2所示。

該方案是在非平衡M-Z干涉儀光路中再加一個參考光柵，且在干涉儀的一臂上外加一頻率為ω的線性相位調制鋸齒波，這相當于在接收到的信號中包括一個外加頻率為ω的調制，則傳感光柵和參考光柵的反射光強可分別表示為

式中ψs，r（λs，r）=2πnd/λs，r，為干涉儀的臂長差引起的相位差；ψ（t）為隨機相位噪聲；As，r為信號光、參考光的平均光功率水平，k為M-Z干涉儀的消光系數。Is（λs）和Ir（λr）經探測器和帶通濾波后再由相位計處理，即可得到干涉儀的輸出光相位變化Δψ=ψs（λs）-ψr（λr）。這樣就可以消除ψ（t）的干擾，使之適用于準靜態測量。

光纖光柵從發現到廣泛的研究和應用，短短幾十年中飛速的發展成為重要不可替代的光電子器件，它涉及到光纖通信各個領域，由它構成的無源器件、有源器件結構簡單、與光纖連接方便、便于攜帶，適用于惡劣的工作環境；作為傳感元件，它具有傳統傳感器件無法比擬的優點：穩定性好、調諧速度快、解調裝置簡單、不受電磁干擾等，所以有著廣闊的前景和使用價值。然而光纖光柵傳感技術是近年來發展起來的一種更新穎的光纖傳感技術，在航空航天、民用建筑、電力、醫藥等領域有著廣泛的應用前景，但是由于發展時間較短，還有許多理論及實際應用問題需要解決。

五、結語

在光纖光柵傳感系統中，解調技術是光纖光柵傳感系統的關鍵，直接決定了傳感系統的性能，人們發展了很多解調方案。其中干涉法解調方案，以其分辨率高，易于實現多路解調，結構相對簡單等優點，故此方案被廣泛用于光纖光柵波長移位的檢測中。但其穩定性的缺點難以克服，因此今后的研究重點將從穩定性入手，以發揮干涉解調的高精度優勢。

參 考 文 獻

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