一種對偏振敏感的光頻域反射光纖布拉格光柵傳感系統解調方案*

段苛苛,時書麗

(遼寧大學信息學院,沈陽 110036)

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一種對偏振敏感的光頻域反射光纖布拉格光柵傳感系統解調方案*

段苛苛*,時書麗

(遼寧大學信息學院,沈陽 110036)

為解決光纖光柵傳感系統對橫向應變的測量問題,提出了一種基于光頻域反射技術的對偏振敏感的準分布式光纖布拉格光柵傳感系統解調方案,該方案通過跟蹤光纖光柵傳感系統的偏振相關損耗為橫向應變的測量提供信息。建立了系統的理論模型,分析了均勻光纖布拉格光柵在準分布式系統中的偏振特性以及偏振敏感的解調系統原理,討論了該方案在測量橫向應變的優越性,以光柵長度和雙折射量值作為參數,對傳感系統的偏振相關損耗變化規律進行研究。研究結果表明,本文提出的方案可以為在準分布光纖光柵傳感系統中根據偏振相關損耗的變化實現對橫向應變的準確測量提供理論依據。

光纖布拉格光柵;準分布式傳感;光頻域反射;偏振相關損耗

光纖布拉格光柵FBG(Fiber Bragg Grating)傳感器通過外界物理量對其布拉格波長的調制來獲取傳感信息。它的體積小,成本低,與光纖有很好的兼容性,并且具有波長自參考的特點,抗干擾能力強,非常便于埋入被測材料內部進行實時監測[1]。FBG傳感器不僅具有光纖傳感器的所有優點,還具備準分布式傳感和嵌入式傳感能力,這是傳統的傳感器難以實現的。準分布式傳感是將多個FBG級聯在一起,也就是在一根光纖上連續刻入多個FBG作為傳感點,利用復用技術實現溫度、應變、壓力等多種參量的準分布式測量[2],因此,準分布式FBG傳感系統的關鍵就是要解決波長解調以及復用尋址的問題。

目前,對于準分布式FBG傳感系統的解調方法有兩大趨勢。一種解決方案是在FBG的傳感點照射一個寬帶光源,將FBG反射的不同波長的光通過一個波長檢測分析系統,主要有光譜儀檢測法、邊緣濾波法[3-4]、匹配光柵濾波法[5]、可調諧F-P濾波法[6-7]、干涉掃描法[8]等。這是比較常見的解調方法,在這類方案中,傳感點的數量直接受限于光源的頻譜范圍、探測器以及光柵間的波長間隔,因此光柵復用的數量有限,且存在分辨率低、濾波損耗大、測量范圍有限等缺點。第2種解決方案是基于光反射技術,主要有光時域反射OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)和光頻域反射OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry)兩種技術。采用OTDR技術可以提高光柵的復用數量,但在檢測中會出現不可避免的盲區,且測量時間較長,空間分辨率和動態范圍這兩個重要指標不可兼得。基于OFDR的相干檢測技術采用全同FBG實現波長解調和光柵空間位置的查詢,具有高精度、高靈敏度、高空間分辨率的優點[9-10],且可以在空間分辨率不變的情況下,通過提高光源的相干性來增大動態范圍,克服了OTDR空間分辨率和動態范圍不可兼得的劣勢,因此,OFDR技術非常適合應用于準分布式FBG傳感系統的解調。

采用線性掃頻光源和合適的算法,可以根據OFDR得到的FBG反射光的振幅譜來對軸向應變或溫度變化進行解調。然而,對于橫向應變的測量,振幅譜不能夠提供足夠的信息[11-12]。這是由于軸向應變或溫度變化使FBG的中心波長產生線性變化,而橫向應變會引起雙折射效應從而導致產生兩個不同的布拉格波長,而且這種分離可能非常小,難以被光譜分析儀或常規的FBG傳感器解調系統分辨[13-14]。為了解決準分布式FBG傳感系統中橫向應變的測量問題,本文基于OFDR技術提出了一種對偏振敏感的準分布式光纖光柵傳感系統解調方案,該方案通過跟蹤FBG傳感器的偏振相關損耗PDL(Polarization Dependent Loss)為橫向應變測量提供信息。建立了系統模型,以光柵長度和雙折射量值等作為參數,對準分布式FBG傳感系統的PDL變化規律進行研究。結果表明,提出的方案可以為在準分布FBG傳感系統中根據PDL的變化實現對橫向應變的準確測量提供理論依據。

1 理論模型

1.1 光纖布拉格光柵

光纖光柵是利用光纖材料的光敏特性,用紫外光的干涉圖案曝光光纖,使光纖纖芯的折射率呈現周期或非周期性變化。光纖布拉格光柵(FBG)是一種均勻周期的光纖光柵,其結構如圖1所示,它的主要特性是能夠反射集中于布拉格波長λBragg附近的窄帶光[10]。當有寬帶光入射到FBG時,FBG會對入射光進行選擇性的反射,反射光的中心波長即布拉格波長λBragg,它滿足的布拉格條件如式(1)所示:

λBragg=2neffΛ

(1)

式中:neff為光柵區的光纖纖芯有效折射率,Λ為光纖光柵的周期。

圖1 FBG結構及其光譜特性

當FBG受到軸向應變作用或者溫度變化影響時,纖芯的折射率和光柵周期都會發生相應的變化,從而引起布拉格波長的偏移,因此,通過檢測光柵中心波長的偏移量就可以實現軸向應變和溫度傳感。當FBG受到橫向應變時,由于光纖的變形,在纖芯折射率發生變化的同時會產生雙折射效應。此外,除了外界作用下的雙折射效應,FBG自身存在一些雙折射,主要是光纖本征雙折射和光柵寫入過程中引入的光致雙折射,一般來說量級在10-6和10-5之間。當光柵中存在雙折射時,兩個偏振模(x模和y模)的折射率之間會存在一個差值,用Δβ來表示,于是具有雙折射的FBG在兩個方向上的有效折射率分別為:

neff,x=neff+Δβ/2

(2)

neff,y=neff-Δβ/2

(3)

1.2 基于OFDR的FBG傳感解調方案

本文提出的對偏振敏感的基于OFDR的FBG傳感解調方案系統結構如圖2所示。可調諧激光源(TLS)發出線性掃頻的連續光,經光纖耦合器C0分為兩個路徑,分別稱為檢測干涉儀和輔助干涉儀。檢測干涉儀由耦合器C1,參考反射鏡和級聯的FBG傳感陣列組成,從FBG反射回的測試信號與反射鏡反射回的參考信號在耦合器C1中發生相干干涉,然后經過一個偏振分束器,將相干光信號分成兩個相互正交的偏振光信號,分別送入光探測器Dx和Dy中進行檢測。輔助干涉儀采用Mach-Zehnder干涉儀結構,由兩個耦合器C2和C3,以及兩段光纖組成,用來補償非線性頻率掃描對FBG位置信息解調的影響,提高空間分辨率。

輔助干涉儀處的探測器DAUX上觀察到的信號是時間的函數,可以表示為:

DAUX=cos(2πγτauxt)

(4)

式中:γ表示調諧率,單位為Hz/s,τaux表示輔助干涉儀的光程差。式(4)還可以表示為:

DAUX=cos(2neffLauxk)

(5)

式中:Laux表示光程,τaux=cLaux/neff,c代表真空中的光速。探測器DAUX以k為采樣間隔,對Dx和Dy兩個探測器的信號進行等間距采樣,從而補償非線性掃頻的影響。

圖3 檢測干涉儀的理論模型

1.3 理論模型與分析

在本文中,考慮到兩個偏振模,采用耦合模理論和瓊斯矩陣來對FBG陣列和OFDR系統進行建模,并通過各自的偏振態對FBG傳感器兩個偏振模的透射系數進行解調。于是,基于解調后的透射系數Tx和Ty,FBG傳感系統的偏振相關損耗可以表示為:

(6)

式中:Tx和Ty分別是x模和y模對應的透射系數。

檢測干涉儀的理論模型如圖3所示,圖中標出了系統不同部分的傳輸矩陣。每一部分都有兩個傳輸矩陣分別對應沿x軸和y軸的兩個偏振模。將陣列中每個FBG的傳輸矩陣都分成N個長度為Δz的均勻片段,每個均勻片段上的傳輸可以用矩陣表示為:

(7)

式中:δj表示自耦合系數,κ為在不同方向傳輸時兩個模之間的AC耦合系數,ν代表干涉條紋的對比度(0<ν<1),各參數之間的關系如下:

(8)

(9)

(10)

參考臂上的相移矩陣可以由式(11)給出:

(11)

由于參考臂中包含反射鏡,故系統的輸出和輸入之間的關系為:

(12)

式中:Ein(0)和Et(z0)分別是在輸入和反射鏡的位置向前傳播模式的振幅,而Ereference(0)和Er(z0)分別是在輸入和反射鏡的位置向后傳播模式的振幅(圖3)。應用以下邊界條件:

Ein(0)=1

(13)

Er(z0)=Et(z0)eiπ

(14)

可得:

(15)

利用以上三式可以得出鏡像反射系數為:

RLMirrror=Ereference(x)(0)x+Ereference(y)(0)y

(16)

信號臂中FBG陣列之前的光纖部分相移矩陣表示為:

(17)

由于光路包含了FBG陣列,因此,整個系統的傳輸矩陣T可以看作FBG陣列之前的相移矩陣PBj,每個FBG對應的矩陣FBGj,以及FBG之間的光纖部分對應的矩陣P這3部分的乘積,可以表示為:

(18)

式中:

(19)

lp表示光柵之間間隔的長度。于是,包含M個級聯FBG和兩個偏振模的整個傳感系統的輸入和輸出之間的關系可以表示為:

(20)

第M個FBG上的反射光可以表示為:

(21)

式中:ax和φy(j=x或y)分別為輸入信號偏振態的幅值和相位,表示傳輸矩陣Treflection,j中的元素。

最后,對反射信號的絕對值求平方,就可以得到輸出信號,于是,偏振分束器輸出的兩個信號Dx和Dy可以計算如下:

Dx=|RLmirror,x+RLFBG,x|2

(22)

Dy=|RLmirror,y+RLFBG,y|2

(23)

1.4 利用偏振敏感的OFDR系統解調PDL

在圖3所示的系統結構中,如果第M個FBG處于測試狀態,那么作用在這個FBG上的物理量(如橫向應變)會對它的PDL譜產生影響。首先,將檢測到的OFDR的時域信號轉換到頻域;然后,待測FBG附近的OFDR信號在一個特定的頻率上通過帶通濾波器濾波,帶通濾波器的帶寬與待測FBG波長的帶寬呈負相關。對濾波后的OFDR信號進行快速傅利葉逆變換(IFFT),就可以在混疊的信號中分離出陣列中每個FBG的反射光譜。由兩個偏振模(通過信號和獲得)對應的兩個反射系數可以得到透射系數和,再利用式(6)就可以計算出每個FBG的PDL譜。

2 仿真結果與分析

根據上述的理論模型,仿真研究了光柵長度和雙折射量值這兩個參數對PDL的影響。仿真使用的參數如表1所示。

表1 仿真所用參數

圖4為雙折射量值對PDL譜的影響,圖5為雙折射量值與PDL峰值之間的關系。從圖4可以看出,當雙折射較小,小于10-4時,PDL的峰值與雙折射量值呈單調遞增關系,這是因為此時x模和y模的兩個光譜發生了重疊。當大于10-4時,隨著雙折射大小的增加,和之間的光譜重疊逐漸消失,于是PDL的峰值達到飽和,趨于穩定。仿真結果顯示,當從0.2×10-4變化到1.8×10-4時,PDL的峰值從2.6 dB增大到8.4 dB,PDL譜中主峰之間的波長間隔隨雙折射的增大而增加,由0.15 nm增加到0.2 nm。因此,在雙折射較小的范圍內(小于10-4),也就是PDL單調遞增的這段區間內,可以根據PDL峰值來感知雙折射的大小,從而實現傳感測量。

圖4 雙折射大小變化時的PDL譜

圖5 雙折射對PDL峰值的影響

圖6 不同光柵長度下的PDL譜

圖6給出了不同光柵長度情況下PDL譜的變化情況,從圖6可以看出,隨著光柵長度的增加,與傳輸譜的阻帶邊緣相對應的波長處的PDL峰值會增大。仿真結果顯示,當光柵長度L從0.4 cm變化到1.4 cm時,PDL的峰值從0.1 dB增大到3.5 dB,PDL譜中兩峰值之間的波長間隔隨雙折射的增大而減小,由0.3 nm減小到0.15 nm。

圖7為PDL峰值與光柵長度之間的關系,可以看出,PDL峰值是隨著光柵長度單調遞增的,但并不是線性關系。因此,可以通過改變光柵的物理參數來實現靈敏度的提高。

圖7 光柵長度對PDL峰值的影響

3 結論

本文對準分布式FBG傳感系統的PDL進行了研究,提出了一種可應用于FBG準分布式傳感的對偏振敏感的OFDR解調方案,傳感陣列中每個FBG的偏振相關損耗參數都可以通過該系統實現精確解調。本文的OFDR解調系統可以非常方便地實現傳感陣列中FBG的尋址,且FBG陣列中單個光纖光柵的PDL譜可以通過對OFDR跟蹤到的信號進行快速傅利葉逆變換得到,利用解調后的FBG在兩個偏振模上的反射譜和透射譜,可以獨立地得到陣列中單個FBG的PDL參數。對系統的原理進行了分析,并建立了系統模型,研究了光柵的長度參數和雙折射量值大小對PDL的影響,結果表明,一定范圍內,雙折射大小與PDL峰值呈單調遞增關系,可以根據PDL峰值來感知雙折射的大小,為實現精確傳感測量提供了可能;另外,PDL峰值與光柵長度呈單調遞增關系,可以通過改變光柵的物理參數來實現靈敏度的提高。本文提出的方案可以為在準分布FBG傳感系統中根據偏振相關損耗的變化實現對橫向應變的準確測量提供理論依據。

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段苛苛(1987-)女,博士,講師。2008年于北京林業大學獲工學學士學位,2014年于北京交通大學獲工學博士學位。現任遼寧大學信息學院講師,主要研究方向為傳感器應用技術,自動檢測與控制技術。

A Polarization Sensitive Demodulation Scheme Based on Optical FrequencyDomain Reflectometry in Fiber Bragg Grating Sensing System*

DUAN Keke*,SHI Shuli

(School of Information,Liaoning University,Shenyang 110036,China)

In order to solve the problem of transverse strain measurement in the Fiber Bragg Grating sensing system,a polarization sensitive demodulation scheme based on optical frequency domain reflectometry technique in quasi-distributed Fiber Bragg Grating sensing system is proposed,the information of transverse strain can be provided by tracking the Polarization Dependent Loss of the sensing system. The polarization characteristics of the uniform Fiber Bragg Grating in a quasi-distributed manner and the principle of the polarization sensitive demodulation system are analyzed,and the superiority of the method in the measurement of transverse strain is discussed in this paper. The spectral evolution of polarization dependent loss of the sensing system as a function of grating length and the birefringence is studied. Simulation results show that the proposed scheme can provide theoretical basis for the accurate measurement of transverse strain in a quasi-distributed Fiber Bragg Grating sensing system.

Fiber Bragg Grating;quasi-distributed sensing;optical frequency domain reflectometry;Polarization Dependent Loss

項目來源:遼寧大學科研基金(科技類)項目(LDQN2015002)

2016-12-31 修改日期:2017-02-23

TP212.9;TN29

A

1004-1699(2017)07-1011-06

C:7230E;4125

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.07.007