1. 研究目的与意义（文献综述）

光纤布拉格光栅（fbg）具有无源滤波、温度敏感、压力敏感且无熔接^[1]等特性，因此fbg无论是在研究中还是应用中都得以迅猛发展，成为最具活力的光无源器件之一。

法布里-珀罗（fp）干涉仪由于其具有优良的滤波特性及简单可靠的光路结构等优点，一直以来都是光学传感领域中最为重要干涉仪之一^[2]。随着光纤通信和光纤传感的迅速发展，光纤f-p干涉仪更是得以大量研究和广泛应用。

光纤光栅作为一种具有本征波长选择特性的光纤内反射镜，为本征型f-p腔提供了一种新的技术方案。用两个fbg作为反射镜，可以构成一个基于fbg的法布里-珀罗腔，光纤fbg-fp腔与普通f-p腔的不同之处在于其只在fbg较窄带宽内反射，并且由于fbg反射相位谱的影响使其有更丰富的谐振条纹，具有便于制造、结构简单、优异的波分复用能力^[2]等优点，广泛应用于温度^[3]、应力^[4]、振动^[5]、曲率^[6]、热膨胀^[7]和折射率^[8]等参量的传感与测量。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的基本内容和目标如下：

1. 理解FBG的特性以及FBG-FP的工作原理，包括FBG反射谱的仿真计算、FBG-FP的仿真、FBG-FP等效腔长的估算以及FBG-FP的制备等。

2. 通过迈克尔逊干涉仪与FBG-FP级联实现路径匹配，了解干涉仪路径匹配增敏的基本原理。

3. 采用相位生成载波的方法进行解调，研究PGC解调技术的基本原理，利用LabVIEW和MATLAB对解调方法进行仿真。

4. 声波的测试。搭建实验光路和信号的采样解调系统，采用相位解调方法实现声波信号的解调

2.2研究的基本原理

2.2.1路径匹配的基本原理

典型的基于FBG-FP分布式声波传感系统的实验原理示意图如图1所示，通常采用的是弱反光栅，反射率小于4%，为了实现波分复用，光源采用宽带ASE光源^[2]，声波的作用直接调制FBG-FP腔内光纤的应变从而实现干涉信号相位的调制，由于普通光纤的应变灵敏度较低，因此需要增大FBG-FP腔内的光纤长度（数米至数十米）以提高灵敏度。通常光栅的3 dB带宽约为0.2nm，计算可得每一个FBG-FP对应的相干长度约为8 mm，FBG-FP的腔长远大于其自身的相干长度，因此单独使用FBG-FP不能产生干涉，需要进行路径匹配。

图 1 基于FBG-FP分布式声波传感系统的实验原理示意图

将FBG-FP和光纤迈克尔逊干涉仪级联，常用的方法是控制MI的臂长差与FBG-FP的腔长近似相等^[18]，由于FBG为弱反结构，不考虑FBG的多次反射，此时整个级联结构中有4束光参与干涉，如图2所示，分别为1→2→4→5→7、1→2→4→6→7、1→2→3→2→4→5→7和1→2→3→2→4→6→7，由于MI的臂长差与FBG-FP的腔长相等，因此参与干涉的4束光中第2束和第3束光经过的光程近似相等，能够发生干涉。

图 2 路径匹配干涉基本原理示意图

2.2.2PGC解调基本原理

PGC解调方法的基本运算流程图如图3所示，PGC解调方法需要引入高频载波调制，载波频率一般为被测信号最大频率的10倍左右，载波调制的方法有内调制法和外调制法，干涉信号的相位可以表示为：

，

(1)

其中#981;₀为初始相位，通过调制光纤的长度或者调制工作波长能够实现相位的调制，内调制法是调制光源的输出波长，外调制法是调制光纤的长度，如图1所示，通过PZT拉伸光纤来调节MI的相位。PGC解调方法通过频谱搬移的方法将被测信号位于调制信号的边带，能够在频谱上将信号与低频噪声分离，具有较好的抗噪性能，且解调系统相对于其它方法更为稳定。

图3 PGC解调算法的运算流程图

2.2.3路径匹配增敏的基本原理

对于FBG-FP来说，使用路径匹配方法通常是要求MI的臂长差与FBG-FP的腔长近似相等，使用的FBG为弱反FBG，若考虑采用高反FBG，使得光在FBG-FP的腔内多次振荡，这样可以在一定程度上成倍的增大系统灵敏度^[1]。

光在FBG-FP腔内多次反射传播的示意图如图4所示，通常使用0阶和1阶反射光（I₀和I₁）作为两束束干涉光，若令MI的臂长差为FBG-FP的k倍，此时，为了实现路径匹配，参与干涉的两束光为I₀和I_k，光在腔内振荡了k次，故可使得系统的灵敏度提高k倍。

图 4 多次反射光传播示意图

2.3拟采用的技术方案:

设计的基于路径匹配增敏的光纤FBG-FP传感器，其基本原理图如图5所示，采用两个全同的高反光纤布拉格光栅（FBG）构成光纤光栅法布里-珀罗干涉仪（FBG-FP），将FBG-FP与光纤迈克尔逊干涉仪（MI）级联，作为系统的读出干涉仪。在MI的一个臂中加入压电陶瓷环（PZT），在实现路径匹配的同时进行高频载波调制，PZT上缠绕光纤的长度为12.57米。光纤以螺纹状粘贴在聚合物薄膜上，这样当薄膜发生形变时光纤光程差变化将增大。由于迈克尔逊干涉仪的两臂很长，采用法拉第旋转反射镜降低偏振衰落的影响。利用具有不同反射波长的FBG-FP腔形成波分复用。

采用的薄膜材料为PP/PET，厚度为50um，杨氏模量和泊松比分别为2.5GPa、039，薄膜粘贴在直径为160mm铝筒上。利用FBG-FP与MI级联形成路径匹配，FBG-FP的腔长约等于1m，MI的臂长差约等于3m，对应放大因子k=3。目前采用的FBG中心波长为1550nm、栅区长度为10mm，3dB带宽约为0.15nm，反射率为大于80%。WDM作为既波分复用器件，也起到了带通滤波的作用，从宽带的透射光中滤出FBG-FP所对应的波长。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需的实验仪器和技术方法。确定方案，完成开题报告。

第4－5周：了解fbg的特性，fbg-fp传感器的工作原理。学习使用matlab，对其频谱进行仿真。

第6－7周：了解路径干涉匹配的原理，设计基于路径匹配增敏的fbg-fp传感器系统结构图，理解并掌握系统中参数的影响和计算方法。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 王伟. 光纤光栅法布里—珀罗传感系统光学增敏技术研究[d].长沙:国防科学技术大学,2015.

[2] 牛嗣亮.光纤法布里-珀罗水听器技术研究[d].长沙:国防科学技术大学,2011.

[3] caucheteur c, chah k. characterization of twinbragg gratings for sensor application[j]. proceedings