摘 要

光纤光栅作为一种新型的光无源器件，其具有低损耗、光谱性好的优点。并且作为传感器，其感应的信息是用波长进行编码的，而波长是不受光功率波动、耦合或连接损耗影响的，这是其他传感器无法比拟的。本文借助对光纤光栅传感器复用解调技术的探讨和研究，通过运用MATLAB软件对复用和解调的原理进行仿真，设计了一种以光纤布拉格光栅为基础的复用解调系统。通过实验，本文研究了该系统对于温度变化的灵敏度以及监测的范围，满足了其对于生物和医学的要求。

本文特色在于，此系统使用F-P多纵模输出激光器作为光源。而仿真结果表明，适当选择F-P激光器的中心波长和线宽，大大的提高了系统的灵敏度；另一方面，相比于传统的宽带光源，F-P光源的价格更低，从而很好的降低了解调系统的成本。

关键词：F-P光源；FBG；复用解调；MATLAB仿真

Abstract

Fiber Bragg grating (FBG), as a new type of passive optical device, has the advantages of low loss and good spectral properties. And as sensors, the sensing information is encoded in wavelength, which is not affected by the fluctuation of optical power, coupling or connection loss and not comparable with other sensors. Based on the research and study of the multiplexing and demodulation technology of fiber Bragg grating sensor, this thesis has designed a multiplexing and demodulation system based on optical fiber Bragg grating (FBG) by using MATLAB software to simulate the principle of multiplexing and demodulation. Through experiments, the sensitivity and monitoring range of the system for temperature change are studied in this thesis, which meets the requirements of biology and medicine.

The characteristic of this thesis is that the system uses F-P multi longitudinal mode output laser as the light source. Therefore, The simulation results show that the proper selection of the central wavelength and line width of the F-P laser greatly improves the sensitivity of the system; on the other hand, compared with the traditional broadband light source, the price of the F-P light source is lower, thus reducing the cost of understanding the modulation system well.

Keywords：F-P light source; FBG; multiplexed demodulation; MATLAB simulation

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 论文主要研究内容 2

第二章 FBG复用解调原理 4

2.1 FBG传感原理 4

2.2 FBG解调复用的分析 5

2.2.1 复用原理 5

2.2.2 调制解调原理 7

第三章 FBG复用解调系统仿真 10

3.1 FBG传感仿真 10

3.2 系统解调仿真 11

3.2.1 宽带光源的解调 11

3.2.2 F-P光源的解调 12

3.2.3 解调仿真图分析 12

第四章 FBG复用解调系统设计与实验 14

4.1 系统的设计 14

4.1.1 光源的选择 14

4.1.2 解调系统设计 15

4.2 实验测量与数据分析 15

4.2.1 实验内容与数据记录 15

4.2.2 数据处理 17

4.2.3 误差分析 18

第五章 结论与展望 19

5.1 结论 19

5.2 展望 19

参考文献 21

致 谢 23

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

传感器是指能够感知所要求的被测量并且按照一定规律转化为可用的输出信号的器件或装置。在如今的信息化时代，人们对于信息的采集、传输和处理有着极大的依赖，这就使得传感器的价值变得越来越高。传感器的性能决定了信息时代的生产力水平，其是当今社会生产的关键技术基础。光纤光栅传感器是一种新型的传感器，其最基本的敏感单元是光纤光栅；光纤光栅是基于光纤光敏性形成的一种折射率的一维周期调制，其本质上是传感元件，因为它们的谐振波长随着光栅周期扰动和光纤有效折射率的变化而变。虽然传统的机电传感器已经取得较为成熟的技术成果，并且在市场应用中处于相对重要的地位；光纤光栅传感器在开发串联复用的传感阵列，用于恶劣环境监测的远程传感器以及超灵敏微型光学传感器等方面展现了其独特的优势和竞争。

由于光纤光栅本身具有高灵敏度、抗电磁干扰能力强等优点，光纤光栅传感器在许多大型工程监测项目中有着广泛的应用。另一方面，光纤光栅传感器采用特定的波长编码，其能够很好的与光纤兼容，而成本也比较低，因此在光纤通信系统的优化中有着重要的作。

1.2 国内外研究现状

光纤光栅传感器的测量范围非常的广，能够测量的物理量也非常的。如果根据测量的物理量进行分类，光纤光栅传感器可以分为应变传感器、温度传感器、位移传感器。根据这些分类，光纤光栅的应用领域非常广泛，在重大工程应用中光纤光栅传感器可用于桥梁、堤坝等大型建筑的安全检测；可用于车辆的超载检测；可用于隧道、防空洞、地铁等半封闭式空间的温度检。在电磁干扰极强或高压变压器等大型电力设备中可用光纤光栅传感器进行各项参数的检测；在安保和国防方面，光纤光栅分布式报警系统和相关技术也成为其重要组成部分。此外，在一些有毒有害气体以及环保监测方面，光纤光栅传感器有着重要的应用，主要包括：用于煤矿瓦斯监测；用于工业废弃、汽车尾气的监测等。而航空航天技术的发展也离不开光纤光栅传感技术的应用。

光纤光栅传感器的中心波长会随着外界参量的变化而变化，将中心波长的变化转化为电信号进行显示和计算，即为光纤光栅传感解调技术。该技术是光纤光栅传感系统中的关键部分，也是衡量系统性能的最重要的指标，因此一直受到研究者们广泛的关注。检测中心波长偏移的经典方法就是光谱仪检测法；但这种方式有很大的局限性：第一，光谱仪的精度很低，无法满足传感系统的高精度要求，从而达不到工业化的测量范围要求；第二，光谱仪的体积很大，不适合嵌入式的系统以及现场测量；第三，光谱仪的价格很高，提高了传感系统的成本。因此，人们提出了许多的解调方案，属于静态解调方案的有F-P滤波法和匹配光纤光栅法；属于动态解调的有干涉法、边缘滤波法以及光谱成像。静态解调具有易于控制，稳定性好的优点，但是解调速度较慢，无法实现频繁变化信号的解调；动态解调的解调速度很快，可以适用于信号频繁变化的系统，但其稳定性较差。

在实际的工程应用中，往往需要对多个传感点同时进行测量，这就需要对多个传感器的传感信号同时进行采集和处理。对于传统的电传感器，每个传感器都需要与解调系统单独连接，这使得系统变得非常复杂，提高了系统的成本；另外，传感器的规模太大，其受到的电磁干扰增加，不利于信号的解调。相比之下，光纤光栅复用传感技术就具有较大的优越性，光纤光栅本身具有波长编码的特点，采用一根光纤就可以实现波分复用；另外，在系统中加入光纤延迟线和光开关又可以分别实现时分复用和空分复用。然而随着传感系统规模的不断发展和扩大，单一的复用技术已无法满足生产需要，因此混合复用技术逐渐发展起。

近几年，很多新型的光纤光栅传感器相继出世。例如，D.W Lamb 提出了一种使用二氧化碳激光器在高压环境（电晕放电）中进行气体流量测量的外部加热的低成本。C. Jewart 等人提出了一种基于两块交叉安装光纤光栅的流量计，该光纤通过激光泵浦以薄银涂层作为热源。另外，C. Martelli 等人研究了光纤光栅对微结构光纤（MOF）的应变和温度响应特性，并且表明了通过不在常规光纤模式的漏模 MOFs 的应变灵敏度会增加；从而微结构光纤光栅传感器的实现成为可。我国对于光纤光栅传感器的研究相对慢一些，到目前为止，我国光纤光栅传感器的产业化还不能满足市场的需求，并且在大规模的推广应用方面需要做的还很多。所以，由较为成熟的光纤通信领域向光纤传感领域转化是如今光纤光栅传感技术研究以及产业化的主要趋势。

1.3 论文主要研究内容

本文的主要内容分为两个方面：第一，文章在掌握了光纤光栅传感器的解调复用方法之后，自行设计了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）的解调复用系统，并且对该系统的解调原理进行了MATAB仿真。第二，文章对所设计的系统进行实验测量，通过对比采用宽谱光源和F-P激光器进行测量所得的数据，分析了该系统的性能以及实验误差。每一章的具体内容如下：

第一章主要介绍了光纤光栅传感器的应用及发展前景；光纤光栅传感复用及解调技术的发展状况，并对本文的研究背景及内容做了一个概述。

第二章论述了FBG的传感原理以及分析了FBG复用解调的原理；介绍了常见的几种复用解调的方法。

第三章推导了FBG传感复用解调的相关公式，并用MATLAB进行了仿真分析，比较了使用不同光源的仿真结果。

第四章设计了一个FBG传感复用解调系统，分别使用宽谱光源和F-P激光器进行了温度测量实验。对实验数据进行处理后，分析了系统的性能，并对实验误差进行了分析。

第五章对前面的仿真和实验做了一个总结，分析了预期的目标与实验结论的差距，是文章的结论部分。

第二章 FBG复用解调原理

2.1 FBG传感原理

光纤布拉格光栅（FBG）的结构如图2.1所示。

图2.1 FBG结构示意图

宽带光射入FBG后，只有满足一定条件的波长的光可以被反射回来，其余波长的光会透射出去，这个特定的波长即为FBG的中心。中心波长与FBG的有效折射及光栅周期有关，根据耦合模理论，具体关系可以写成下列公式：

=T (2.1)

式中，表示FBG的中心波长（布拉格波长）；表示FBG的有效折射率；T代表光栅周期。有效折射率和光栅周期会随着外界参量的变化而改变，从而使得FBG的中心波长发生漂移，通过监测波长漂移的情况，达到测量外界参量的目的，从而实现FBG传感。假设温度保持不变，当FBG受到轴向应力而产生应变时，由公式(2.1)可推出轴向应变使中心波长变化为：

(2.2)

如果忽略包层的影响，仅讨论裸纤状态，则在均匀轴向应变作用下光纤光栅的传感模型可以写成下列公式：

=(1-P)=0.78 (2.3)

式中，P是光纤光栅的有效弹光系数，取0.22；是轴向应变。由上述的公式可以看出，在恒温条件下，光纤布拉格光栅的波长漂移与轴向应变呈线性关系。但光纤光栅可允许的应变为104m，即1%，若应变超过了5%，光纤光栅会断裂。

FBG的波长漂移除了与应变有关，还与温度有关。温度产生的热光效应影响FBG的有效折射率，而热膨胀效应影响FBG的光栅。同理，仅研究光纤光栅自身的热效应，得到的温度传感模型可以写成下列公式：

()=7.5* (2.4)

式中，表示光纤的热膨胀系数，取0.5*；表示光纤的热光系数，取7.0*。从上式中可以看出FBG的中心波长的漂移与温度变化呈线性关系。所以，在实际的传感测量中，若只要获取某个外界参量的传感信息，则需保证其他参量的恒定，这样才能得到较为理想的传感信息。

FBG传感是用波长进行调制和编码的，而波长漂移与外界物理量的线性关系很好的简化了解调系统设计的复杂程度；并且FBG本身具有体积小和灵敏度高的特性，这为复用传感的实现提供了极大的可行性。

2.2 FBG解调复用的分析

2.2.1 复用原理

单个的FBG只能对某个位置进行监测，而在FBG传感网络中，复用技术成为最关键的技术。常见的复用技术可分为以下几种。

（1）波分复用技术（WDM）

波分复用技术的原理图如图2.2所示。

宽谱光源

光谱仪

图2.2 波分复用原理图

图中的椭圆表示耦合器（下同），右上角表示FBG阵列（下同）。在光源的可用波长范围内，给每一个FBG分配一个波长区间，当外界参量变化时，每个FBG的中心波长都在各自的波长区间内变化，其反射峰通过耦合器进入光谱仪或者其他的检测系统进行测量；通过光谱仪显示的复合光谱以及预先规定的区间，找出每个FBG的波长漂移值。

WDM网络能够复用的FBG的数量取决于光源带宽及待测量的动态。比如，光源带宽为50nm，待测量的应变范围是1500µm，各个FBG的中心波长间隔为3nm，那么该WDM网络最多可以复用16个传感器。WDM属于串联结构，其中的FBG占据了不同的频带范围，因此光源可以被充分利用，并且功率利用效率非常高。另一方面，FBG的带宽互相独立，避免了串音现象，这使得WDM系统的信噪比变得很。

（2）时分复用技术（TDM）

时分复用技术的原理图如图2.3所示。

脉冲光源

高速波长检测系统

图2.3 时分复用原理图

时分复用系统所用到的光源为脉冲光源，每一个FBG都有不同的时延迟，光源发出一个脉冲后，波长检测系统收到了多少个短脉冲，就会与多少个FBG对应，根据时延值可以区分不同的光栅，从而得到每一个FBG的传感信息。时分复用技术也可以称为。与WDM技术一样，TDM也采用FBG的串联拓扑结构，功率利用率高；不同的是TDM中的FBG的数量不再与光源带宽及待测量的动态范围有关，并且从理论上来说，FBG的数量不受。但随着FBG数量的增加，脉冲的占空比（持续时间和空闲时间之比）增大，导致系统信号清晰度和信噪比下降，这一方面限制了FBG的数量。另外，采样速率也会随着光纤长度的增加而减小。

（3）空分复用技术（SDM）

空分复用技术的原理图如图2.4所示。

光开关

宽谱光源

光谱仪

图2.4 空分复用原理图

每一个光纤光栅都会分配一个传输通道，光开关的作用是选择通道，所以每次只有一个光纤光栅被选择。当需要测量某个光纤光栅的传感信号，只需打开相应的通道进行检测即可，这种系统实现了从空间上的复用。使用SDM的优势在于FBG采用并行拓扑结构，其采样速率高于串联拓扑结构；每个FBG独立工作，很少出现串音现象，系统信噪比非常高；系统的复用能力不受频带的限制，若采用合适的解调方法，比如CCD并行探测技术，传感规模可以变得很大，但缺点是功率利用率。

复用传感网络只需要配置一个光源和一套解调系统，而信号传输从理论上只要求一根光纤，这大大减少了系统的体积和成本，同时扩大了系统检测的覆盖范围；因此，其已经成为光纤光栅传感系统必不可少的一部分。

2.2.2 调制解调原理

由于FBG是以波长编码的方式进行信号的传感，因此，在设计解调系统时，将波长的变化转变为可控制或者可测量的参量是解调的关键。一般来说，FBG的带宽非常窄，若光源为理想的宽谱光，则FBG的反射谱与光源光谱重合部分的面积即为光电探测器所接收到的部分；并且随着FBG中心波长的移动，该重合部分的面积也会改变，从而使得探测器接收到的功率发生改变。该解调方式属于强度解调，其调制解调的原理如图2.5所示。

图2.5 宽谱光源解调原理图

图中的波长作为横坐标，光强作为纵坐标。当给FBG施加轴向应力或者改变温度时，其中心波长会发生漂移，即图中的窄带曲线会移动，而宽带曲线保持不变，这样，两条曲线的重叠面积会发生改变，解调系统根据这一面积的变化测得传感信号的变化，达到解调的目的。如果使用带宽很窄的F-P光源，则应该选取带宽较宽的FBG，实现解调的原理是一致的。另外，从上图中我们还可以看出，如果FBG的中心波长向左或者向右漂移过大，以至于超出了宽谱光源的带宽范围，则重合部分的面积为零，此时无法得到解调结果；因此，光源和FBG的带宽决定了解调系统的测量范围。

常见的解调方法有匹配光纤光栅解调法和可调谐F-P滤波法，这两种方法都是属于强度解调。属于相位解调的方法有非平衡M-Z干涉仪解调。强度解调中，以可调谐F-P滤波法为例，其原理图如图2.6所示。

宽谱光源

F-P腔

探测器

图2.6 F-P滤波原理图

宽带光源发出的光经过耦合器进入到FBG阵列，其反射回来的光经过耦合器进入F-P滤波器。反射光首先经过自准直变为平行光，再进入滤波器，最后的出射光经过聚焦进入到探测器。当扫描电压驱动压电陶瓷使其产生轴向位移时候，F-P腔长会发生变化，而每一个腔长对应唯一的一个波长，这样，当反射回来的波长与F-P腔长所对应的波长一致时，探测器的输出功率会达到最大，此时就可以测量波长的偏移量，从而实现解调的功能。在相位解调中，非平衡M-Z干涉仪解调法最具代表性，其原理图如图2.7所示。

宽谱光源

M-Z干涉仪

相位计

带通滤波器

探测器

图2.7 非平衡M-Z干涉仪解调原理图

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