光纖光柵解調(diào)儀校準(zhǔn)方法研究

王新彤 李山東 鄭光金 高業(yè)勝 趙 耀 尚福洲

(1.青島大學(xué)，青島 266001；2.中國電子科技集團公司第四十一研究所，青島 266001)

1 引 言

光纖光柵解調(diào)儀可從光譜信號中檢測出布拉格波長的變化，實現(xiàn)對光纖光柵傳感器的波長編碼信號的解調(diào)，是光纖光柵傳感系統(tǒng)不可或缺的組成部分，其性能表現(xiàn)在很大程度上決定測量系統(tǒng)的測量范圍、測量分辨率等參數(shù)，是光纖光柵傳感應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。其中，光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)配置接口為10M以太網(wǎng)，配置功能強大的嵌入式計算機，通過TCP/IP協(xié)議可以自動將采集到的大量數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機進行分析和存儲，可以實現(xiàn)遠距離的長期或定期監(jiān)控與測量，在民用工程結(jié)構(gòu)、電力工業(yè)、醫(yī)學(xué)化學(xué)、航空航天及船舶等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。波長校準(zhǔn)是光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)實用化所必須的，即通過試驗建立系統(tǒng)輸入與輸出之間某種準(zhǔn)確函數(shù)關(guān)系。光纖光柵解調(diào)儀的校準(zhǔn)結(jié)果影響系統(tǒng)測量精度，目前，光纖光柵解調(diào)儀的校準(zhǔn)還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，通常是采用標(biāo)準(zhǔn)光纖光柵來進行的，但是存在波長標(biāo)記點偏少和溫度穩(wěn)定性差的缺點。

2 光纖光柵解調(diào)儀工作原理

光纖光柵傳感器是一種波長調(diào)制型傳感器，其工作原理為光纖光柵諧振波長受外界參量的調(diào)制而發(fā)生變化，波長變化量同外界參量有確定關(guān)系來獲得傳感信息。光纖光柵解調(diào)儀對傳感光柵的反射譜進行檢測，分析波長編碼，解調(diào)出傳感信號。其工作原理是通過檢測光纖光柵反射光中心波長的變化來得到待測外界物理量的變化，即對應(yīng)的溫度、應(yīng)變等變化。本文中解調(diào)儀是基于可調(diào)諧F-P濾波器的解調(diào)原理，其原理框圖如圖1所示，主要由光源、解調(diào)模塊、光纖光柵傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、上位機模塊等部分組成。表征其性能的主要參數(shù)是中心波長和動態(tài)范圍，中心波長是整個傳感系統(tǒng)中的待測變量，其解調(diào)精度決定了系統(tǒng)對外界待測物理量的精確測量能力，而動態(tài)范圍決定了解調(diào)系統(tǒng)中允許接入的光纖光柵傳感器的數(shù)量。

圖1 光纖光柵解調(diào)儀工作原理

3 校準(zhǔn)傳遞件的研制

波長校準(zhǔn)是解調(diào)儀定量檢測的基礎(chǔ)，校準(zhǔn)結(jié)果直接影響光纖光柵解調(diào)儀的測量精度。由于F-P腔的結(jié)構(gòu)和物理特性，當(dāng)溫度發(fā)生變化時，F(xiàn)-P腔的原始腔長會隨溫度變化而變化，導(dǎo)致光纖光柵的Bragg波長測量產(chǎn)生誤差。標(biāo)準(zhǔn)傳遞件設(shè)計有溫度控制系統(tǒng)，適應(yīng)于復(fù)雜外界溫度環(huán)境，并且在測量系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)提供足夠的校準(zhǔn)波長點，提高系統(tǒng)測量精度。

3.1 校準(zhǔn)傳遞件的組成

標(biāo)準(zhǔn)傳遞件采用的器件均為光無源器件，以F-P標(biāo)準(zhǔn)具為核心，標(biāo)準(zhǔn)傳遞件的結(jié)構(gòu)如圖2所示。2×2耦合器的一端通過隔離器與F-P標(biāo)準(zhǔn)具的一端連接，F(xiàn)-P標(biāo)準(zhǔn)具的另一端與環(huán)形器的一個端口連接，環(huán)形器的另外兩個端口分別與耦合器的另一端以及反射負載連接。帶有波長標(biāo)記點的F-P標(biāo)準(zhǔn)具在解調(diào)儀的工作波長內(nèi)產(chǎn)生一系列等間隔的波長點，可以通過波長標(biāo)記點確定與之相鄰的其它波長點的相對位置，保證校準(zhǔn)數(shù)據(jù)具有較高的可靠性。同時采用TEC溫度控制穩(wěn)定F-P標(biāo)準(zhǔn)具的環(huán)境溫度，避免標(biāo)準(zhǔn)具的中心波長隨溫度發(fā)生漂移，保證校準(zhǔn)傳遞件的波長量值穩(wěn)定。選用的耦合器、隔離器和環(huán)形器均為光纖型器件，與解調(diào)儀工作波長一致。

圖2 光纖光柵解調(diào)儀校準(zhǔn)傳遞件的結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 F-P標(biāo)準(zhǔn)具的工作原理

F-P標(biāo)準(zhǔn)具的工作原理是基于平行平板的多光束干涉理論，利用兩平板表面對光波的依次反射，反射回來的光波形成振幅遞減的若干部分，并由各部分光波再次相遇產(chǎn)生干涉。如圖3所示。入射光從標(biāo)準(zhǔn)具的1面入射，在兩平板間反復(fù)反射產(chǎn)生多束相干反射光1、2、3、4…，在兩平板間反復(fù)透射產(chǎn)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。

圖3 F-P標(biāo)準(zhǔn)具工作原理示意圖

其中

θ

為多光束的出射角，

θ

為其在平板內(nèi)的入射角，所以相鄰兩透射光或反射光之間的光程差Δ可以表示為Δ=2

nh

cos

θ

(1)

式中：

n

——折射率；

h

——間隔。

對應(yīng)差的相位

(2)

通常，對于多光束干涉裝置，其折射率

n

和間隔

h

通常是定值，那么影響

φ

的因素只有傾角

θ

和波長

λ

。以非單色平行光入射時，此時

θ

固定，相位差

φ

為光波長

λ

的函數(shù)，由于多光束干涉，只有特定的波長

λ

附近才能在較寬的光譜范圍內(nèi)出現(xiàn)極大，當(dāng)

θ

=0時，

λ

滿足2

nh

=

kλ

(3)

用頻率

v

可表示為

(4)

相鄰極大值的頻率間隔

(5)

由此可見波長極大值之間的頻率間隔相等，且與腔長

h

成反比。每一條透射譜線或

λ

稱為一個縱模，某一級干涉極大譜線的半值寬度Δ

λ

，可表示為

(6)

可以看到譜線寬度與腔長和反射率成反比。

通過以上理論分析，F(xiàn)-P標(biāo)準(zhǔn)具的作用是將一系列縱模譜線從輸入的非單色光中選擇出來，其頻率間隔相等，且每條譜線的寬度與腔長和反射率成反比。因此研制基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具的標(biāo)準(zhǔn)傳遞件，可以在一定的波長范圍內(nèi)得到多個等間隔的校準(zhǔn)波長點，使得校準(zhǔn)數(shù)據(jù)更加精確可靠。

3.3 低損耗光路集成

由于光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)工作方式為有源，每個光纖通道同時具備光信號發(fā)射和接收檢測功能，這樣在校準(zhǔn)過程中，要求考慮插入損耗和反射噪聲的負面影響。標(biāo)準(zhǔn)傳遞件由多個分立的光纖型器件組成，如果使用光纖跳線進行器件連接，光纖接頭處產(chǎn)生的插入損耗和反射噪聲將會對傳遞件的性能產(chǎn)生很大影響。因此，采用光路集成技術(shù)，將小型化的光纖器件集成為一個整體器件，這樣也便于進行溫度控制。光纖型器件之間的連接采用熔接方式，通過控制放電電流和時間實現(xiàn)不同光纖之間的低損耗熔接，盡量避免標(biāo)準(zhǔn)傳遞件的光路損耗和反射噪聲，提高波長解調(diào)精度和解調(diào)信號的信噪比。標(biāo)準(zhǔn)傳遞件的外部接頭均采用FC/APC，并進行高精度研磨拋光，保證接頭端面的回波損耗大于60dB，從而大幅減小解調(diào)系統(tǒng)的發(fā)射光在光纖連接處產(chǎn)生的反射噪聲，避免標(biāo)準(zhǔn)傳遞件的發(fā)射光信號被淹沒，提高波長解調(diào)精度。

1) 水膠比W/C大小是影響大孔生態(tài)混凝土力學(xué)性能的重要因素，在滿足工作性能及漿體包裹均勻程度的前提下，盡量使用較低的W/C；

3.4 波長標(biāo)記點的設(shè)計

由于標(biāo)準(zhǔn)傳遞件以F-P標(biāo)準(zhǔn)具為核心，其輸出光譜為梳齒狀，可以在1520nm～1570nm波長范圍內(nèi)提供一系列等間隔的校準(zhǔn)波長點。但是在實際使用過程中，會出現(xiàn)不同解調(diào)系統(tǒng)中檢測到的波峰數(shù)不一致的情況，因而無法具體確定每個波峰對應(yīng)的波長值，因此設(shè)置一個波長標(biāo)記點，利用光纖光柵的反射特性解決這個問題。

通過刻寫特定波長值的光纖光柵，使得F-P標(biāo)準(zhǔn)具透射光譜中特定的波峰正好被光纖光柵反射掉，這樣被反射掉的波峰處出現(xiàn)一個缺失，將此缺失作為波長標(biāo)記點，因各波峰之間相對位置確定，就可以確定下各波峰對應(yīng)的波長值，進而得到波峰與波長值之間的一一對應(yīng)關(guān)系。這種波長定位的方法，不會影響標(biāo)準(zhǔn)傳遞件的整體結(jié)構(gòu)，是一種最為簡單有效的解決方案。

3.5 TEC溫度控制

標(biāo)準(zhǔn)傳遞件以F-P標(biāo)準(zhǔn)具為核心制作，溫度穩(wěn)定性較好，但明顯的溫度變化也會使中心波長漂移。由于光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于不同復(fù)雜環(huán)境，環(huán)境溫度會有較大的變化，標(biāo)準(zhǔn)傳遞件的量值會隨溫度變化產(chǎn)生一定的漂移，因此需要對傳遞件進行溫度控制，保證傳遞件的量值穩(wěn)定性。校準(zhǔn)傳遞件是由小型的光纖型器件組成，考慮采用半導(dǎo)體制冷的方式進行溫度控制。

圖4是標(biāo)準(zhǔn)傳遞件溫控部分的設(shè)計原理框圖。溫度傳感器實時測量安放在TEC端的溫控對象的溫度，在溫度測量電路中輸出與測量得到的溫度點相對應(yīng)的電壓值。溫度設(shè)置電路由幾個電阻和參考電壓構(gòu)成，設(shè)定一個點電壓表示期望的溫控對象溫度。溫度測量電路和溫度設(shè)置電路產(chǎn)生的電壓進入溫度偏差放大電路，通過高精度運算放大器進行比較產(chǎn)生誤差電壓，產(chǎn)生的誤差電壓再經(jīng)由高增益的放大器放大，再通過PWM控制器驅(qū)動控制外部的H橋輸出。當(dāng)溫度傳感器測量的環(huán)境溫度偏離目標(biāo)溫度時，H橋向TEC輸出制熱或制冷電流，使被控環(huán)境溫度向目標(biāo)溫度靠近，使系統(tǒng)達到平衡，而溫度傳感器實時測量溫度傳輸?shù)綔y量電路，如此形成一個閉環(huán)回路，不間斷地對環(huán)境溫度進行穩(wěn)定控制。PID補償網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成系統(tǒng)的反饋電路，是影響TEC控制器的響應(yīng)速度和溫度穩(wěn)定性的關(guān)鍵，通過實驗調(diào)試優(yōu)化參數(shù)使系統(tǒng)具有較好特性。

圖4 溫控設(shè)計原理圖

通過采取以上技術(shù)措施，標(biāo)準(zhǔn)傳遞件可以在光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的工作波長范圍內(nèi)得到一系列帶有波長標(biāo)記點的校準(zhǔn)波長點，根據(jù)波長標(biāo)記點可以確定與之相鄰的其他波長點的相對位置。同時F-P標(biāo)準(zhǔn)具采用TEC溫度控制，可以保證標(biāo)準(zhǔn)傳遞件在不同溫度環(huán)境下波長量值的穩(wěn)定，提高環(huán)境適應(yīng)性。

此外，考慮到遠程校準(zhǔn)時運輸過程中的振動沖擊，優(yōu)化光纖器件布局，合理設(shè)計機械結(jié)構(gòu)對校準(zhǔn)傳遞件進行穩(wěn)固的封裝，同時對較為脆弱的光纖及其連接處用硅膠進行加固，可以大大減小運輸過程中的振動沖擊的影響，提高標(biāo)準(zhǔn)傳遞件的抗振性。

4 光纖光柵解調(diào)儀校準(zhǔn)實驗及結(jié)果分析

標(biāo)準(zhǔn)傳遞件研制完成后，需要對F-P標(biāo)準(zhǔn)具的輸出波峰進行波長標(biāo)定。目前，定標(biāo)的方法主要有光譜掃描法和波長掃描法，其中光譜掃描法采用光譜分析儀進行測量，但是由于其自身分辨率的限制，波長精度無法滿足解調(diào)儀的校準(zhǔn)要求，因此選擇波長掃描法對校準(zhǔn)傳遞件進行波長標(biāo)定。

4.1 波長掃描法

采用可調(diào)諧激光器對標(biāo)準(zhǔn)傳遞件的光譜進行掃描，測量原理如圖5所示，設(shè)定有固定的波長步距和波長范圍為波長掃描條件，調(diào)諧激光器輸出光經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)傳遞件后，功率計測出每一個波長點的對應(yīng)測量值，而后由測試軟件記錄功率計的測量值，得到相應(yīng)光譜曲線并進行分析測量。這種采用調(diào)諧激光器進行波長掃描的方法，其波長測量精度可達0.0001nm，能夠滿足光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的校準(zhǔn)要求。

圖5 波長掃描法測量原理圖

4.2 硬件結(jié)構(gòu)組成

標(biāo)準(zhǔn)傳遞件的量值標(biāo)定采用波長掃描法，波長標(biāo)定裝置組成如圖6所示，采用調(diào)諧激光器、光功率計和Keysight 8163B光波萬用表配合測量，其中81960A調(diào)諧激光器波長分辨率為0.1pm，掃描波長精度±10pm，輸出波長范圍為1505nm～1630nm；81634B光功率計測量精度±2.5%，功率測量范圍為-90dBm～+10dBm，其波長范圍為800nm～1700nm。以上所述儀器的技術(shù)指標(biāo)均能滿足標(biāo)準(zhǔn)傳遞件的量值標(biāo)定要求。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)傳遞件波長標(biāo)定裝置

波長掃描的流程如圖7所示，首先需要設(shè)置掃描工作時調(diào)諧激光器的掃描參數(shù)：能夠覆蓋標(biāo)準(zhǔn)傳遞件工作波長范圍的掃描起始波長、終止波長，以及合適的波長步距。81960A調(diào)諧激光器輸出超低源自發(fā)輻射(SSE)信號,信號與源自發(fā)輻射噪聲比(S/SSE)大于80dB/nm，顯然在1520nm～1570nm范圍內(nèi)大于65dB/nm，輸出光譜純度高。運行波長掃描時，光功率計測量得到每個掃描波長對應(yīng)的光功率值，然后由測試軟件同步記錄光波長和功率值，得到標(biāo)準(zhǔn)傳遞件對應(yīng)的光譜曲線。通常情況下，為了保證掃描速度，調(diào)諧激光器會自動選擇與輸出光功率相應(yīng)的量程范圍進行波長掃描，這樣使得光譜的測量動態(tài)范圍小。采用了數(shù)據(jù)拼接的方法解決這個問題，在不同量程檔上分別進行波長掃描，然后對數(shù)據(jù)進行拼接融合，得到全量程范圍的掃描數(shù)據(jù)。得到標(biāo)準(zhǔn)傳遞件光譜曲線后，使用峰值檢測函數(shù)得到各個波峰數(shù)據(jù)，然后使用多項式擬合的方法擬合波峰數(shù)據(jù)點，這樣避免了在波長掃描過程中因光功率波動而產(chǎn)生的波長檢測誤差，相比直接檢測功率峰值點的方法，能夠大幅提高波長的定標(biāo)精度，且重復(fù)性和穩(wěn)定性也能進一步得到提高。

圖7 波長掃描流程圖

4.3 校準(zhǔn)方法

將標(biāo)準(zhǔn)傳遞件接入光纖光柵解調(diào)儀的輸入通道，根據(jù)波長標(biāo)記點測量與該點左右相鄰的各個波長點，計算測量值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值，在校準(zhǔn)裝置中加入衰減器，通過逐步調(diào)節(jié)衰減器的衰減量完成光纖光柵解調(diào)儀動態(tài)范圍參數(shù)的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)方法首先是調(diào)節(jié)衰減器的衰減量，將其調(diào)為0dB，選擇其中一個波長點作為標(biāo)準(zhǔn)，不斷提高衰減器的衰減量，直到光纖光柵解調(diào)儀無法檢測到該波長點；根據(jù)光路可逆原理，可知動態(tài)范圍的校準(zhǔn)值等于2×(衰減器插入損耗+衰減量)。

4.4 校準(zhǔn)結(jié)果

根據(jù)校準(zhǔn)方法，對標(biāo)準(zhǔn)傳遞件的每個波峰的波長值進行了測試，部分結(jié)果如表1和表2所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)傳遞件波峰值部分測量結(jié)果Tab.1 Somemeasurementofwavepeakofcalibrationtransmission序號測量值/nm平均值/nm重復(fù)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 標(biāo)準(zhǔn)傳遞件動態(tài)范圍測量結(jié)果Tab.2 Measurementofdynamicrangeofcalibrationtransmission測量值/dB平均值/dB51.5051.6051.5050.5951.0251.1051.0851.07

5 結(jié)束語

本文采用F-P標(biāo)準(zhǔn)具為核心器件研制了光纖光柵解調(diào)儀校準(zhǔn)傳遞件，可以提供一系列的校準(zhǔn)波長點，并且對F-P標(biāo)準(zhǔn)具進行了溫度控制，保證了不同溫度環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)傳遞件波長量值的穩(wěn)定性。同時，采用2×2耦合器使得標(biāo)準(zhǔn)傳遞件具備兩個輸出端口，可同時滿足單通道和多通道光纖光柵解調(diào)儀的校準(zhǔn)需求。對標(biāo)準(zhǔn)傳遞件的量值標(biāo)定方法進行了研究，通過采用波長掃描的方式精確標(biāo)定了標(biāo)準(zhǔn)傳遞件每個波峰點的波長量值。在此基礎(chǔ)上，使用標(biāo)準(zhǔn)傳遞件對光纖光柵解調(diào)儀進行了校準(zhǔn)。結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)傳遞件的量值穩(wěn)定可靠，能夠很好地滿足光纖光柵解調(diào)儀的校準(zhǔn)要求。