二、分布式光纖光柵傳感器反射波長檢測方法

　　用光纖光柵構(gòu)成的傳感系統(tǒng)，由于傳感量主要是以波長的微小位移為載體，所以其中應(yīng)有精密的波長或波長變化檢測裝置。對光纖Bragg光柵的理論分析和實驗研究表明，F(xiàn)BG的溫度和應(yīng)變靈敏度很小。在Bragg波長為1500nm時，典型的溫度和應(yīng)變靈敏度分別為0.011nm/℃和0.0012nm/me。因此，ΔlB （FBG的反射光波中心波長，亦稱為特征波長）的檢測精度直接限制了整個系統(tǒng)的檢測精度，ΔlB的檢測技術(shù)也就成為光纖光柵傳感的關(guān)鍵技術(shù)之一。下面介紹幾種信號解調(diào)技術(shù)。

　　1、光譜儀檢測法

　　對光纖光柵傳感器的波長移位最直接的檢測

　　方法就是用光譜儀檢測輸出光的ΔlB ，如圖1。 這種方法的優(yōu)點是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，適合實驗室使用；缺點是以色散棱鏡或衍射光柵為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)光譜儀分辨率低，無法滿足要求。雖然高分辨率的光纖光譜分析儀可以滿足要求，但是這類光譜儀的價格昂貴，體積龐大，由此構(gòu)成的系統(tǒng)缺乏必要的緊湊性和牢固度。更為重要的是它不能直接輸出對應(yīng)波長變化的電信號，這對于測量結(jié)果的記錄、存儲和顯示，以及提供給控制回路必要的電信號以達到工業(yè)生產(chǎn)過程自動控制都是極為不利的。

　　2、匹配光柵法

　　這種方法就是用一個與傳感光纖Bragg光柵相匹配的接收光柵去跟蹤傳感光柵的波長變化，進行匹配濾波，由兩個光柵相匹配時接收光柵的波長去推知傳感光柵的波長。如圖2所示，每個接收FBG通過各自的伺服系統(tǒng)與對應(yīng)的傳感FBG鎖定在一起，構(gòu)成傳感/接收FBG對。所有的接收FBG串接在一起。接收FBG的Bragg波長仍然由PZT（壓電陶瓷）的驅(qū)動電壓控制，并且給每一個PZT的驅(qū)動電壓引入一個不同頻率的交流調(diào)制信號，這樣光電探測器的輸出就是一個包含不同頻率分量的交流信號。當(dāng)某一個傳感光柵的波長由于外界物理量的變化而發(fā)生改變時，則包含該頻率成分的交流信號的幅值就會下降，伺服系統(tǒng)就會改變相應(yīng)PZT的驅(qū)動電壓，使之重新達到匹配。圖2中只畫出了兩個傳感光柵，實際上能夠在一根光纖中復(fù)用的最大傳感器數(shù)目取決于被測物理量的最大范圍和光源光譜帶寬。

　　匹配光柵法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，而且最終檢測的反射光強無絕對要求，所以各類強度噪聲都不會對輸出結(jié)果有影響。

　　這種方法的不足之處，一是要求兩個光柵嚴格匹配；二是受參考光柵應(yīng)變量的限制，傳感光柵的測量范圍不能很大；三是PZT的響應(yīng)速度有限，使這種方法只適用于測量靜態(tài)或低頻變化的物理量，對于聲振動等頻率較高的物理量，則能力有限。

　　3、應(yīng)用光柵陣列波導(dǎo)光柵的分布式FBG的快速解調(diào)技術(shù)

　　應(yīng)用AWG（陣列波導(dǎo)光柵）的分布式光纖光柵傳感器波長解調(diào)的傳感系統(tǒng)如圖3所示。該解調(diào)系統(tǒng)由寬帶光源、光路耦合器、陣列波導(dǎo)光柵AWG、多光電探測器/前置放大器、數(shù)據(jù)處理器/微計算機等部分組成。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器、單模光纖進入到光纖Bragg光柵傳感陣列，光纖Bragg光柵傳感陣列的反射波長信號又經(jīng)過耦合器進入到陣列波導(dǎo)光柵AWG中，而AWG本身的特性能將入射光分成不同波長的窄帶到多個通道中。這里將FBG的各個波長之間分散一些，同時保證每一個FBG的中心波長lbi（1≤i≤n）隨著被測量的變化范圍都在相鄰的AWG的兩個通道的中心波長之間，也就是說lbi在lam 和lam+1之間，這樣就能夠避免解調(diào)時的相互干擾。同時每個窄帶光通道中出來的光信號也就對應(yīng)著一個光纖光柵傳感器FBG。光電管PD的輸出則經(jīng)過前置放大器進入到數(shù)據(jù)處理器或者是高速微計算機中，我們通過計算機或處理器對前置放大器輸出信號的檢測就能確定相應(yīng)光電管PD電流的變化量。正常情況下，各個通道的中心波長對應(yīng)各個FBG的中心波長，一旦現(xiàn)場的溫度或應(yīng)力發(fā)生變化，那么相應(yīng)FBG的反射中心波長就會發(fā)生漂移，而這會使反射光在相應(yīng)通道中透過的光強也會發(fā)生變化（減弱）。當(dāng)通道輸出的光強減弱了，那么對應(yīng)PD的電流就會減小，而這個微弱的變化量通過放大處理進入到數(shù)據(jù)處理器就可以被檢測到了。

　　這種方法的優(yōu)點是：精度高（0.5pm以上）；由于采用了陣列波導(dǎo)AWG技術(shù)，使得解調(diào)的速度大大提高。另外，這種方法可以檢測大量的FBG。

　　4、使用雙波長光纖Bragg光柵的時分復(fù)用傳感系統(tǒng)

　　實驗裝置如圖4所示，5個相同的雙波長DWFBG（S1~S5）串在一起，每相鄰的兩個分別由D1~D4隔開來構(gòu)成時分復(fù)用傳感系統(tǒng)。Fabry-Perot激光管FP1、FP2用于產(chǎn)生雙波長脈沖，F(xiàn)P1偏置在門限電壓，PSG開關(guān)控制它的增益。FP2由直流驅(qū)動，其發(fā)出的激光經(jīng)耦合器耦合后到FBG1和FBG2—FBG1和FBG2的Bragg波長調(diào)制成與傳感陣FBG一樣。由FBG1和FBG2反射回的光經(jīng)耦合器2和極化控制器、隔離器1和耦合器1射入FP1，在光射入FP1過程中，雙波長激光脈沖就產(chǎn)生了，于是激光脈沖通過隔離器2和耦合器3到達傳感陣列。從傳感陣列FBG中反射回的脈沖通過與PSG同步的光強調(diào)制器解復(fù)用，利用光譜分析儀OSA就能檢測到解復(fù)用后的信號。這種方法的優(yōu)點是波長解碼，而且實現(xiàn)了分布式測量；缺點是精度還不夠高，實際中的操作相對復(fù)雜。

　　5、應(yīng)用波長掃描光纖激光器解調(diào)方法

　　波長掃描光纖激光器WSFL在目前的應(yīng)用中能夠準確的測量應(yīng)力，在其腔體內(nèi)有掃描可調(diào)諧濾波器，可及時連續(xù)反復(fù)地在幾十個納米的范圍內(nèi)掃描激光波長，實驗裝置如圖5所示。WSFL帶隔離器、耦合器和摻餌光纖（980nm泵浦）組成的單方向環(huán)路，作為內(nèi)腔掃描濾波器的F-P可調(diào)諧濾波器帶寬0.27nm，自由光譜范圍是68nm（1512nm～1579nm）。通過三角波調(diào)制F-P濾波器來產(chǎn)生1525nm到1565nm的掃描波，并且頻率是130Hz，輸出的激光直接進入傳感光柵陣列、參考光柵和F-P腔。這種方法的優(yōu)點是提供了高功率信號、光源的范圍可調(diào)諧和窄瞬間譜線寬；缺點是使用了F-P可調(diào)諧濾波器，激光器的輸出相比于線性調(diào)制信號在掃描范圍內(nèi)呈現(xiàn)出非線性。

　　6、帶光柵標(biāo)尺的多個FBG傳感系統(tǒng)

　　實驗裝置如圖6所示，4個傳感FBG（G1s-G4s）分布在一根單模光纖上，4個跟蹤FBG（G1t-G4t）組成的陣列作為濾波器來跟蹤從傳感FBG反射回來的波長。系統(tǒng)應(yīng)用一個光柵 標(biāo)尺來讀出系統(tǒng)的輸出。從寬帶光源發(fā)出的光（LED、53mw、3dB、1498nm～1559nm）發(fā)射到系統(tǒng)，通過耦合器到達傳感FBG陣列。傳感陣列FBG的Bragg波長平均分布在1498nm～1559nm之間，滿足其條件的波長都被反射，經(jīng)過耦合器到達跟蹤陣列。跟蹤FBG陣列由一個翻譯裝置調(diào)節(jié)，而翻譯裝置由PZT驅(qū)動，PZT又由三角波電壓驅(qū)動，驅(qū)動電壓信號的幅值是300V，周期是8s（可以減至1s）。在一個調(diào)節(jié)周期內(nèi)，翻譯裝置將會擠壓光柵標(biāo)尺的檢測頭，使光柵標(biāo)尺的輸出很精確地與翻譯裝置的擠壓量成正比。當(dāng)跟蹤光柵的波長與相應(yīng)傳感光柵的Braggg波長匹配時，相應(yīng)的PD就會收到一個信號。這個信號是傳感光柵和跟蹤光柵反射波長光的疊加。當(dāng)兩個波長完全匹配時，這個信號就到達最大值。通過檢測最大值時FBG的波長就可以測量傳感FBG的波長偏移量，于是就可以通過計算機換算得到被測量的值。這種方法的優(yōu)點是系統(tǒng)的精度高、測量范圍大、穩(wěn)定且容易調(diào)節(jié)；缺點是系統(tǒng)的速度不高、實時性不好。

三、工程應(yīng)用

　　分布式光纖光柵傳感器的應(yīng)用范圍非常廣，在橋梁、建筑、海洋石油平臺、油田及航空、大壩等工程中都可以進行實時安全、溫度及應(yīng)變監(jiān)測。

　　1、橋梁、建筑及大壩中的應(yīng)用

　　光纖光柵形變傳感器提供了一種用于公路及橋梁、建筑、堤壩的健康監(jiān)測的方法，而且可為監(jiān)測交通工具的速度、載重及種類提供很重要的數(shù)據(jù)。這種傳感器的測量精度可以達到幾個微應(yīng)變級，具有很好的可靠性，可實現(xiàn)動態(tài)測量，采用分布式埋入還可以實現(xiàn)對整個橋梁或建筑物的健康狀況監(jiān)測，從而防止工程及交通事故的發(fā)生。

　　2、在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

在航空航天領(lǐng)域，飛行安全是人們十分關(guān)注的一個方面。光纖光柵傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高等優(yōu)點。將光纖光柵埋入飛行器或者發(fā)射塔結(jié)構(gòu)中，組成分布式智能傳感網(wǎng)絡(luò)，可以對飛行器及發(fā)射塔的內(nèi)部機械性能及外部環(huán)境進行實時監(jiān)測。波音公司（Boeing）在這方面進行了許多研究，并擁有許多專利技術(shù)。

　　3、在海洋石油平臺及油田中的應(yīng)用

　　海洋石油平臺是海上石油資源開發(fā)的重要基礎(chǔ)性設(shè)施，是海上生產(chǎn)作業(yè)和生活的基礎(chǔ)。海洋平臺結(jié)構(gòu)所處環(huán)境十分復(fù)雜、惡劣，在環(huán)境的影響下，海洋平臺結(jié)構(gòu)的抗力衰減非常明顯，而傳統(tǒng)的電傳感器只能進行單點測量，而且易受海水侵蝕而失效。相比之下，光纖光柵傳感器對電磁場及電流免疫，而且可以構(gòu)成分布傳感網(wǎng)絡(luò)，因此它可以應(yīng)用于一些傳統(tǒng)的電傳感器不能應(yīng)用的領(lǐng)域，如油田、天然氣田及煤田等，用于探測儲量及地層狀況等。

　　四、結(jié)論

　　光纖光柵傳感器具有非常獨特的技術(shù)優(yōu)勢，可以應(yīng)用于各種傳感領(lǐng)域，隨著通信業(yè)的發(fā)展，其成本必然會越來越低，也必將發(fā)揮越來越大的作用。國內(nèi)對于光纖光柵傳感的研究開發(fā)已經(jīng)取得了一定的成績，下一步將是如何將之商品化、工程化的問題，解決得當(dāng)，會對傳感領(lǐng)域具有非常重要的意義。