摘 要

随着光纤的成功研制，以低损耗光纤为传输媒介的光纤光栅传感技术快速发展起来，对解调精度提出了更高的要求。本文选择使用目前应用最为广泛的可调谐激光器来进行光纤光栅解调。但是可调谐激光器存在非线性调谐的缺陷，严重影响解调系统的精度与稳定性。为了解决该问题，本文提出一种基于可调谐激光器的新方案，该方案通过引入由不平衡的干涉仪组成的参考通道来校准激光器的扫描速率，通过引入由梳状滤波器组成的校准通道来校准激光器的输出波长，从而克服可调谐激光器的非线性缺陷，使得解调系统具有很高的解调精度与稳定性。

为了验证所提出方法的高精度，设计并搭建解调系统光路，完成稳定性实验和应变实验。稳定性实验结果表明本文所设计的解调光路稳定性为0.088 pm,波长分辨率为0.030 pm；应变实验结果表明线性度为0.9982。相比于传统解调方法，本文所应用的方法提高了解调精度与稳定性，高精度得到验证。

关键词：光纤光栅，高精度，可调谐激光器，稳定性

Abstract

With the successful development of optical fiber, the fiber grating sensing technology with low loss fiber as the transmission medium has been rapidly developed, and higher requirements for demodulation accuracy are put forward. This paper chooses to use the most widely used tunable laser for fiber grating demodulation. However, tunable lasers have the drawback of nonlinear tuning, which seriously affects the accuracy and stability of the demodulation system. In order to solve this problem, this paper proposes a new scheme based on tunable laser, which calibrates the scanning rate of the laser by introducing a reference channel composed of an unbalanced interferometer, by introducing a calibration channel composed of a comb filter. The output wavelength of the laser is calibrated to overcome the nonlinear defects of the tunable laser, so that the demodulation system has high demodulation accuracy and stability.

In order to verify the high precision of the proposed method, the optical path of the demodulation system is designed and built, and stability experiments and strain experiments are completed. The stability experiment results show that the demodulation optical path stability designed in this paper is 0.088 pm and the wavelength resolution is 0.030 pm. The strain test results show that the linearity is 0.9982. Compared with the traditional demodulation method, the method applied in this paper improves the demodulation accuracy and stability, and the high precision is verified.

Keywords: fiber grating, high precision, tunable laser, stability

目录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2课题研究目的及意义 2

1.3光纤光栅解调技术研究现状 2

1.3.1 传统光纤光栅解调技术概况 2

1.3.2 可调谐激光器的非线性校准技术研究现状 3

1.4 本文主要研究内容及组织结构 4

第2章 光纤光栅解调原理 5

2.1 光纤光栅传感原理 5

2.1.1 光纤光栅温度传感 6

2.1.2 光纤光栅应变传感 7

2.2光纤光栅解调技术 7

2.2.1直接解调法 7

2.2.2可调谐F-P滤波法 8

2.2.3非平衡马赫-曾德干涉法 9

2.2.4可调谐窄带光源解调法 10

2.3本章小结 11

第3章 基于可调谐激光器的高精度光纤光栅解调方法研究 12

3.1解调光路设计 12

3.2解调原理分析 13

3.2.1非线性补偿 13

3.2.2扫描速率和实时波长校准 16

3.2.3解调波长提取原理 16

3.2.4理论波长分辨率 18

3.3本章小结 18

第4章 高精度光纤光栅解调实验研究 19

4.1单光栅稳定性实验 19

4.2单光栅应变实验 22

4.3 本章小结 23

第5章 总结与展望 24

5.1全文工作总结 24

5.2下一步工作展望 24

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

1.1 引言

自人类进入信息时代以来，世界各国争相研究高科技领域的信息技术，而作为三大信息技术之一的传感技术，往往代表着一个国家信息技术的发展程度。传感技术的特点在于它能够通过内在相关元器件一些特征参数的变化去感知元器件所处环境物理量的变化，从而达到对环境进行监测的目的。

作为传感技术的重要分支之一，光纤传感技术在各行各业都发挥了不同程度的作用。20世纪70年代，美国康宁公司首次生产出光纤，其传输光损耗为20 dB/km，随后与之相关的各种传感器件也被慢慢研造出来。刚开始发展的时候，光纤传感技术的形式较为单一，主要是单模光纤调制技术和传输型光纤传感技术。伴随着21世纪信息技术突飞猛进的发展，光纤传感技术也发展到无处不在^[1]，它以光纤作为传输媒介，配以有效的监测设备，就可以检测出传输过程中的参数变化，比如说光纤的波长、相位、光强度等等，进而监测外界物理量。光纤传感技术的核心在于光纤传感器，它较为明显的优势如下^[2]：

(1)抗电磁干扰、耐高温、重量轻、体积小。当信号在光纤传感器中进行传输时，不易受到强电磁或者高温等环境的干扰。而且光纤传感器易于携带，易于安装在空间狭小的环境中。

(2)可检测的物理量类型广泛。光纤传感器可检测诸如温度、应变、振动、压力、加速度等多种物理量，而且不会对测量环境造成破坏。

(3)损耗低、传输能力强。光纤传感器损耗较低，使得信号的远距离传输成为可能。

(4)网络传输规模大。光纤传感器可组成传感网络，同时传输多路信号并检测多种物理参量的变化，使得测量结果更加精确。

综合上述诸多优点，再加上相关光学元器件的飞速发展，光纤传感器已逐渐发展成为近几十年来各大应用领域中的研究热点，在土木工程中，其可以进行健康安全监测；在航天领域中，其可以进行飞机各项指标的监测；在交通运输领域中，其可以进行道路结构损伤监测；在电力领域中，其可以进行温度监测；在石油化工领域中，其可以进行管道监测。光纤传感器的研究核心之一是光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器。国外的相关技术发展较早且较为成熟，1989年，日本NTT公司成功研制出光损耗为0.0l dB/km的超低损耗光纤，提高了光纤的传输距离。1993年，美国人首次提出了相位掩模刻栅技术，使光纤光栅的制作更加简单、灵活，便于批量生产，使得光栅的加工成本大大降低，提高了FBG传感器的推广价值。2010年，S.M.Lee等人将光栅纤芯用一种特殊的结构进行处理，让其能够激发不同类型的传感信号，实现了对温度和折射率等物理量的监测^[3]。而国内对于传感技术的研究，尤其是光纤光栅传感的研究，起步较晚，大概从上世纪90年代才渐渐有高校或者一些研究机构开始相关方面的研究工作，且大多数的研究仍旧停留在实验室阶段，距达到真正商业应用的目的还有很远的一段距离，这是由于国外对那些关键核心技术的封锁，现阶段我们的大多数研究都是建立在国外已有方案的基础上进行模仿、优化，要想进一步缩小与世界先进水平的差距，我辈仍当努力。

1.2 课题研究目的及意义

FBG传感器的关键在于精确的解调出反射波长，从而准确地还原出温度、应力等外界物理量。这就要求所设计的解调系统以及所应用的解调方法具有较高的波长分辨率，能够精确的测量出由于外界物理量的变化而引起的微小的光纤光栅中心波长漂移量，同时这也意味着更高的系统灵敏度，更强的感知微弱信号的能力，适用于高精度、高灵敏度测量领域。

在光纤光栅传感领域中，可调谐激光器因其能够在指定波长带上连续均匀地产生扫描激光而在光纤光栅解调领域得到广泛应用。利用可调谐激光器可以将光纤光栅的光谱信息扫描到时域上，从而实现光栅波长解调。因此，可调谐激光器的性能对光纤光栅解调精度有重要影响^[4]。然而，由于可调谐激光器的结构特性，机械老化和环境影响，输出波长和扫描速率总是波动并偏离设定值，导致测量误差。

本文的研究目的即是寻求一种基于可调谐激光器的高精度光纤光栅解调方法，克服可调谐激光器的非线性调谐等缺陷，达到提高光纤光栅解调精度的目的。

1.3 光纤光栅解调技术研究现状

光纤光栅类似于一种波长调制器件，其解调的核心问题即在于获取调制后的波长信息。本节首先简单介绍了传统光纤光栅解调技术的研究状况，然后就本设计所应用到的可调谐激光器的相关技术进行了较为详细的研究现状介绍。

1.3.1 传统光纤光栅解调技术概况

在光纤传感技术发展的历史长河中，针对光纤传感领域的波长解调问题，人们已提出了多种多样的解调方案，每种方案都有各自的优缺点，概括来说这些解调方案可以分为两大类：滤波法和干涉法。所谓滤波法，就是利用各种光学滤波器件，允许某些特定频段的光波信号通过，滤除不相干频段的光波信号，从而达到对传感光栅波长进行解调的目的。常用的几种滤波法有边缘滤波法、匹配光纤光栅滤波法、可调谐法布里-珀罗（Fabry–Perot，F-P）滤波法等，目前广泛投入商业使用的是基于F-P腔的波长滤波法，其携带较为方便且解调精度较高，可到达pm级别。所谓干涉法，就是将波长变化量的求解转化为相干光的相位变化量的求解。常用的几种干涉法有萨尼亚克干涉法、非平衡马赫-曾德干涉法和迈克尔逊干涉法等，干涉法的优势在于具有较强的抗环境干扰能力、系统响应时间较短，而且可以同时复用多个传感光栅，形成分布式传感光栅网络，提升复用容量。总的来说，这些传统的解调方法虽有适于它们的应用场所，但解调精度远远不够。

1.3.2 可调谐激光器的非线性校准技术研究现状

为了克服可调谐激光器的非线性调谐缺陷从而提高基于可调谐激光器的光纤光栅解调方法的精度，国内外专家学者已提出多种解决方案。

在2015年，Mandula G和Lengyel K^[5]等人提出了一种基于部分模式匹配的平凹F-P干涉仪的激光器扫描频率校准方法，该方法基于具有已知频率和时间历史的初级和Gouy效应型二次干扰峰的识别,由于干涉图案对环境变化非常敏感，因此校准不稳定；重新采样方法也被证明可用于可调谐激光器的校准^[6-8]，在该重采样方案中，借助于从辅助干涉仪产生的拍频信号以相等的频率间隔测量被测信号，这样激光器发出的扫频光频率曲线与时间就好像呈现线性关系一样，该方法可以补偿激光器的非线性效应并校准激光器的扫描速率；在2011年Newbury N R等人介绍了一种基于频率梳（飞秒激光）的频率稳定性来创建精确“频率标度”的方法^[9]，可以通过使用外差频率来计算激光器的调谐频率，该外差频率是在飞秒激光器发出的激光扫过频率梳时产生的^[10,11]，然而，无法确定用调谐激光产生外差频率的飞秒激光器的频率梳的模数，因此该方法和上述重采样方法不能校准激光器在每次扫描时发射激光的初始波长，因此也就无法精确地获得激光的输出波长；在2010年，Giorgetta F R等人提出的方案中^[12]，通过引入一个类似于双频梳的结构来解决这个问题，并且收获到了意料之外的效果，降低了频率梳的相位噪声对解调精度的影响，然而，由于引入了几个飞秒激光器，这些方法既复杂又昂贵；在2014年，Li Z, Liu M等人提出的方案中^[13]，通过采用多波长标准具，分段线性方法可用于校准可调谐激光器，该方法非常简单，但必须假设分段区域中激光器的输出波长线性变化，因此校正精度不足。

1.4 本文主要研究内容及组织结构

本文采用基于可调谐激光器的光纤光栅解调方法，通过参考通道修正可调谐激光器的非线性扫频缺陷，通过校准通道校准可调谐激光器的输出波长，实现了波长分辨率为0.030pm的高精度光纤光栅解调。本文主要研究内容和本人工作如下：

第1章为绪论，阐明了光纤传感技术在高科技领域中的重要性；介绍了课题研究的目的和意义；简单概述了传统的光纤光栅解调方法，详细阐述了基于可调谐激光器的光纤光栅解调的国内外研究现状。

第2章为原理研究，从温度和应力两个角度分析了光纤光栅的传感原理；介绍了几种传统的光纤光栅解调技术及其解调原理。

第3章为实验方法研究，提出了一种高精度解调方法，通过引入参考通道用于修正可调谐激光器的非线性扫频缺陷；通过引入校准通道校准可调谐激光器的输出波长；然后通过测量通道完成波长的解调。对此方法进行了详细的理论推导，并给出了理论波长分辨率为0.010 pm。

第4章为实验验证，针对提出的实验方法，搭建光路，先进行稳定性实验，实现了波长分辨率为0.030 pm，稳定性为0.088 pm的高精度波长解调。然后在稳定性实验的基础上，通过对光栅逐步均匀施加应力，实现了线性度为0.9982的高稳定性波长解调。

第5章为总结与展望，对本科毕业设计期间所研究内容进行全文工作总结，并展望下一步的工作内容 。

第2章 光纤光栅解调原理

光纤光栅解调的关键在于获取光栅中心波长因温度、应力等外界物理量的变化而引起的微乎其微的漂移量，这是因为其波长漂移量与这些物理量的变化往往呈一种线性变化的关系。本章内容主要从光纤光栅的传感原理和解调技术两个角度分析了光纤光栅的解调原理，在传感原理方面主要分析了温度和应变传感，在解调技术方面主要介绍了直接解调方式和间接解调方式中的几种经典方法。

2.1 光纤光栅传感原理

光纤光栅是一种纤芯折射率沿轴向周期性变化的器件，就像在纤芯内形成一个滤波器或者反射镜一样，可以允许特定波长的入射光反射或透射。当纤芯折射率变化的幅度和周期保持不变时，称为均匀光纤光栅，反之则被称为非均匀光纤光栅。本文所研究的FBG传感器，即属于一种均匀短周期光栅，其传感结构图如图2.1所示：

图2.1 FBG传感结构图

FBG传感器相当于一个反射镜，当入射光的波长与FBG的中心波长相接近时，那么该部分的入射光将会被反射，而其余部分的光则会被透射，沿着原来的路径继续传播，这也被称为光栅布拉格反射条件。此时，反射光中包含FBG中心波长的信息。

FBG的波长可以表示为：

(2.1)

由式（2.1）可知，FBG的波长取决于纤芯有效折射率n_eff和光栅周期Λ，当外界物理量发生变化时，上述两个光栅的参数会发生变化，进而引起FBG波长的变化。FBG波长的漂移量可以表示为:

(2.2)

FBG传感器是一种波长编码器件，通过检测其波长漂移量，计算出折射率和周期的变化量，进而可以获取外界环境变化的情况。需要注意的是，这里所说的外界环境物理量，主要指温度和应变，这是因为诸如加速度、速度、振动等物理量的变化可以转化为温度和应变的变化，而且温度和应变对光栅中心波长的影响互不相干，从而可以解决光纤传感中存在多个参量的问题，降低测量难度。

2.1.1 光纤光栅温度传感

当传感光栅所处环境的温度发生变化时，光纤光栅会产生热光效应和热膨胀效应，热光效应与纤芯有效折射率有关，热膨胀效应与光栅周期有关。

由热光效应引起的纤芯有效折射率变化量可以表示为：

(2.3)

其中ε为热光系数，ΔT 为温度变化。

由热膨胀效应引起的光栅周期变化量可以表示为:

(2.4)

其中α为光纤热膨胀系数。

将式（2.3）、式（2.4）代入式（2.2）中，可以得到光纤光栅因所处环境温度的变化而引起的FBG中心波长漂移量为：

(2.5)

由式(2.5)可知，FBG 中心波长的变化量与温度变化量的比值，即温度灵敏度系数，仅与所应用光栅的材料特性有关，其为一定值，说明了FBG在温度传感上的线性，可将FBG温度灵敏度系数表示为：

(2.6)

2.1.2 光纤光栅应变传感

应变产生的轴向应力会使光纤光栅产生轴向应变和弹光效应，弹光效应会引起纤芯有效折射率发生改变，轴向应变会引起光栅周期发生改变。

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