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摘 要：本文通过实时进行温度补偿的双光栅参考法作为光纤光栅信号解调的波长校准方法，提高解调精度，同时研制透射通道，对透射型高斯光谱器件进行透射波长解调，使用国产化稳定可调光纤滤波器，提高性价比，满足工程应用对解调仪高精度、低成本、透反同时测量的需求，推动光栅传感的工业化应用进程。
关键词：光纤光栅 波长解调 信号解调 滤波法 透射波长解调 双光栅参考法
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）02（a）-0105-03
光纤光栅（Fiber Bragg grating，简称FBG）因其本征安全、体积小、重量轻、每根光纤可串接多个光栅，方便工程上大规模复用等优点，近些年得到了快速发展[1]；而光纤光栅信号解调一直是限制光纤传感器工业应用的问题之一，目前，可工程应用为基于光纤可调滤波器法，此方法现还有精度受温度影响较大、滤波器常年受国外垄断、成本高等缺点[2]，因此本文将基于自主开发的高稳定可调滤波器，使用带温度补偿的参考光栅进行波长校准，并开发可对透射器件进行测量的光纤传感解调仪，以满足需要透射型传感器的场合，满足工业应用的需要。
1 光纤光栅传感原理
光纤光栅是利用紫外激光光束照射光纤，被照射区间段纤芯的折射率将发生周期性的变化，在纤芯内形成一个窄带滤波器或者反射镜，对入射的宽带光进行选择性反射。
如图1所示，当一束宽带光源入射到光纤光栅时，满足布拉格条件的光被反射，其余光透射，光纤布拉格光栅方程为：
λ=2neffΛ （1）
式中：λ为FBG的中心波长；neff为光纤纤芯的有效折射率；Λ为光栅周期。
当外部被测量发生变化时，将导致光栅的中心波长发生变化，使得对应FBG中心波长偏移，通过解调仪器解析出中心波长偏移量，根据标定好的待测量与中心波长的对应关系，达到信号传感的目的。
2 光纤光栅解调原理
可调FP滤波法因解调范围广、准确度高、适用于大容量复用网络解调而成为目前最主流，也最适合工程现场使用的解调方法（见图2）。
宽带光源发出的光，进入多个不同反射波长的传感FBG，满足一定条件的光反射回可调光纤F-P滤波器，给F-P腔上的压电体（PZT）加载锯齿波扫描电压，用来调节F-P腔腔长，若F-P滤波器的透射波峰和FBG的反射波峰相重合时，F-P滤波器的透射光强达到最大，不同的扫描电压所对应不同的透射光的波长，如此，在同一扫描周期的不同时刻，有多个FBG反射波长经过F-P腔，再通过光电转换，把光信号转化为电信号，经过放大、滤波等调理电路，最终进入数据采集卡将数据后送入计算机结合上位机软件进行信号处理，最终，解调出被测信号。
现有解调仪有以下缺陷限制其精度和稳定性，从而限制工业应用。
（1）FP滤波器受温度影响的温漂未进行有效补偿，导致长期精度低。
（2）因为核心器件的非线性，导致仪器分辨率精度过低。
（3）使用labview或者windows商业软件作为开发软件，不开源。
（4）现有仪器仅可测量反射型器件，一些需要测量透射传感器的场合则需使用昂贵的光谱仪、波长计等。
3 光纤光栅解调仪的设计
综上所述，本文将针对上述限制器工业应用的问题，进行针对性设计，开发出高精度、高稳定性、低成本的透反型的工业级光纤传感解调仪。
3.1 自主开发光纤可调滤波器
本文使用深圳中科传感自制的高稳定国产化工艺光纤可调滤波器，打破长期国外垄断，同等品质产品，成本降低为国外的1/10，满足工程大量应用的低成本要求。
3.2 实时温度补偿的参考光栅波长校准设计
可调FP滤波器的温漂影响仪器解调精度，因此需采用相应的方案，提高仪器解调精度，本文使用实时监测温度的双光栅波长参考法，进行温漂补偿，可将仪器短期精度提高到±1pm，长期精度±2.5pm。
仪器内置两个固定波长的参考光栅，用传感光栅与固定波长参考光栅的相对位置来解调传感光栅的波长，这样避免了使用可调FP滤波器的电压-腔长非线性关系来进行解调，为了避免温漂造成的影响，提前标定出参考光栅的温度系数，同时在光栅旁边放置精度0.01度的热电偶传感器进行实时温度监测，根据参考光栅的温度系数进行软件计算补偿，以补偿后的波长作为已知波长进行计算，改善温漂造成的影响。算法原理如图3。
图3中，1和3为参考光栅谱线，中心波长分别为λ1和λ3，2为传感光栅谱线，中心波长为λ2，N为采样点，当外界参量（温度或应变）使传感光栅位置移动，如图所示，从原本位置2移动到21时采样点对应为N21，则：
（2）
由此只需得到传感光栅相对参考光栅的相对位置，根据已知波长的参考光栅的波长，就可计算出传感光栅的波长，即只需采集到传感光栅和参考光栅峰值点对应的位置（采样点），进行相关运算，便可完成解调。
3.3 透射型器件波长解调的光纤光栅解调仪器设计
在实际应用中，有一些透射型传感器需进行信号解调，如长周期光栅等，现解调仪均不具备透射型器件的解调功能，本文将对解调软硬件增设透射通道，其中反射通道用来入射光，透射通道用来接收透射光谱，再通过光电转换、滤波、寻峰等，计算出透射波长，实现透射器件的波长解调，可根据实际需要，制作多路反射和透射同时测量的解调仪器（见图4）。
3.4 解调软件的设计
传统解调仪大多使用windows或者labview软件进行编程，工业可控性差，本文从底层开始使用linux+C语言来进行开发，除了传统的原始波长、物理量采集功能，拟新加入灵活的传感器设置、标定功能；波长自校准功能；加入强大的公式编辑、调用功能，大大提高了仪器的实用性，同时支持常用接口及协议，如RS232/485、TCP/IP、moubus等，方便數据与其他集控系统的传送。
4 结语
本文从限制光栅传感工业应用的现有问题出发，重点研制有温度补偿的波长校准方法，同时增加透射通道，使解调仪可以同时对反射和透射型光器件进行波长解调，使用国产化工艺的高稳定、低成本核心解调器件——光纤可调滤波器，提高仪器性价比，最终研制出高精度、低成本的工业级光纤光栅解调仪，波长解调长期精度可达±2pm，推进光纤传感的工业化进程。
参考文献
[1] 余有龙，谭玲，李茜，等.压电陶瓷发热对光纤光栅传感信号干涉解调的影响[J].光学学报，2014，34（5）：51-55.
[2] 陈显，余尚江，杨吉祥，等.线性滤波法高速解调技术中的测量有效性研究[J].光学学报，2009，29（1）：145-150.
[3] 刘琨，刘铁根，江俊峰，等.基于FBG传感系统的可调光滤波器非线性研究[J].光电子·激光，2010，21（7）：970-973.
关键词：光纤光栅 波长解调 信号解调 滤波法 透射波长解调 双光栅参考法
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）02（a）-0105-03
光纤光栅（Fiber Bragg grating，简称FBG）因其本征安全、体积小、重量轻、每根光纤可串接多个光栅，方便工程上大规模复用等优点，近些年得到了快速发展[1]；而光纤光栅信号解调一直是限制光纤传感器工业应用的问题之一，目前，可工程应用为基于光纤可调滤波器法，此方法现还有精度受温度影响较大、滤波器常年受国外垄断、成本高等缺点[2]，因此本文将基于自主开发的高稳定可调滤波器，使用带温度补偿的参考光栅进行波长校准，并开发可对透射器件进行测量的光纤传感解调仪，以满足需要透射型传感器的场合，满足工业应用的需要。
1 光纤光栅传感原理
光纤光栅是利用紫外激光光束照射光纤，被照射区间段纤芯的折射率将发生周期性的变化，在纤芯内形成一个窄带滤波器或者反射镜，对入射的宽带光进行选择性反射。
如图1所示，当一束宽带光源入射到光纤光栅时，满足布拉格条件的光被反射，其余光透射，光纤布拉格光栅方程为：
λ=2neffΛ （1）
式中：λ为FBG的中心波长；neff为光纤纤芯的有效折射率；Λ为光栅周期。
当外部被测量发生变化时，将导致光栅的中心波长发生变化，使得对应FBG中心波长偏移，通过解调仪器解析出中心波长偏移量，根据标定好的待测量与中心波长的对应关系，达到信号传感的目的。
2 光纤光栅解调原理
可调FP滤波法因解调范围广、准确度高、适用于大容量复用网络解调而成为目前最主流，也最适合工程现场使用的解调方法（见图2）。
宽带光源发出的光，进入多个不同反射波长的传感FBG，满足一定条件的光反射回可调光纤F-P滤波器，给F-P腔上的压电体（PZT）加载锯齿波扫描电压，用来调节F-P腔腔长，若F-P滤波器的透射波峰和FBG的反射波峰相重合时，F-P滤波器的透射光强达到最大，不同的扫描电压所对应不同的透射光的波长，如此，在同一扫描周期的不同时刻，有多个FBG反射波长经过F-P腔，再通过光电转换，把光信号转化为电信号，经过放大、滤波等调理电路，最终进入数据采集卡将数据后送入计算机结合上位机软件进行信号处理，最终，解调出被测信号。
现有解调仪有以下缺陷限制其精度和稳定性，从而限制工业应用。
（1）FP滤波器受温度影响的温漂未进行有效补偿，导致长期精度低。
（2）因为核心器件的非线性，导致仪器分辨率精度过低。
（3）使用labview或者windows商业软件作为开发软件，不开源。
（4）现有仪器仅可测量反射型器件，一些需要测量透射传感器的场合则需使用昂贵的光谱仪、波长计等。
3 光纤光栅解调仪的设计
综上所述，本文将针对上述限制器工业应用的问题，进行针对性设计，开发出高精度、高稳定性、低成本的透反型的工业级光纤传感解调仪。
3.1 自主开发光纤可调滤波器
本文使用深圳中科传感自制的高稳定国产化工艺光纤可调滤波器，打破长期国外垄断，同等品质产品，成本降低为国外的1/10，满足工程大量应用的低成本要求。
3.2 实时温度补偿的参考光栅波长校准设计
可调FP滤波器的温漂影响仪器解调精度，因此需采用相应的方案，提高仪器解调精度，本文使用实时监测温度的双光栅波长参考法，进行温漂补偿，可将仪器短期精度提高到±1pm，长期精度±2.5pm。
仪器内置两个固定波长的参考光栅，用传感光栅与固定波长参考光栅的相对位置来解调传感光栅的波长，这样避免了使用可调FP滤波器的电压-腔长非线性关系来进行解调，为了避免温漂造成的影响，提前标定出参考光栅的温度系数，同时在光栅旁边放置精度0.01度的热电偶传感器进行实时温度监测，根据参考光栅的温度系数进行软件计算补偿，以补偿后的波长作为已知波长进行计算，改善温漂造成的影响。算法原理如图3。
图3中，1和3为参考光栅谱线，中心波长分别为λ1和λ3，2为传感光栅谱线，中心波长为λ2，N为采样点，当外界参量（温度或应变）使传感光栅位置移动，如图所示，从原本位置2移动到21时采样点对应为N21，则：
（2）
由此只需得到传感光栅相对参考光栅的相对位置，根据已知波长的参考光栅的波长，就可计算出传感光栅的波长，即只需采集到传感光栅和参考光栅峰值点对应的位置（采样点），进行相关运算，便可完成解调。
3.3 透射型器件波长解调的光纤光栅解调仪器设计
在实际应用中，有一些透射型传感器需进行信号解调，如长周期光栅等，现解调仪均不具备透射型器件的解调功能，本文将对解调软硬件增设透射通道，其中反射通道用来入射光，透射通道用来接收透射光谱，再通过光电转换、滤波、寻峰等，计算出透射波长，实现透射器件的波长解调，可根据实际需要，制作多路反射和透射同时测量的解调仪器（见图4）。
3.4 解调软件的设计
传统解调仪大多使用windows或者labview软件进行编程，工业可控性差，本文从底层开始使用linux+C语言来进行开发，除了传统的原始波长、物理量采集功能，拟新加入灵活的传感器设置、标定功能；波长自校准功能；加入强大的公式编辑、调用功能，大大提高了仪器的实用性，同时支持常用接口及协议，如RS232/485、TCP/IP、moubus等，方便數据与其他集控系统的传送。
4 结语
本文从限制光栅传感工业应用的现有问题出发，重点研制有温度补偿的波长校准方法，同时增加透射通道，使解调仪可以同时对反射和透射型光器件进行波长解调，使用国产化工艺的高稳定、低成本核心解调器件——光纤可调滤波器，提高仪器性价比，最终研制出高精度、低成本的工业级光纤光栅解调仪，波长解调长期精度可达±2pm，推进光纤传感的工业化进程。
参考文献
[1] 余有龙，谭玲，李茜，等.压电陶瓷发热对光纤光栅传感信号干涉解调的影响[J].光学学报，2014，34（5）：51-55.
[2] 陈显，余尚江，杨吉祥，等.线性滤波法高速解调技术中的测量有效性研究[J].光学学报，2009，29（1）：145-150.
[3] 刘琨，刘铁根，江俊峰，等.基于FBG传感系统的可调光滤波器非线性研究[J].光电子·激光，2010，21（7）：970-973.