一种高精度光纤Bragg光栅传感器解调方法研究

　　引 言

　　光纤Bragg光栅(FBG)传感器是以FBG作为敏感元件的功能型光纤传感器，有广泛的应用领域。当该传感器受温度、应变等外界参量的作用时，Bragg波长会发生相应的漂移，因此，研究FBG传感器的关键问题是如何精确测量FBG反射波长漂移量。传统上一般应用光谱仪解调系统，它体积大、不易携带、不利于现场使用。近年来出现的微型光谱仪体积小、价格便宜，但其光谱分辨力只在0.1 nm数量级，远远达不到FBG解调需要的pm级的分辨力。

　　为了提高Bragg波长漂移量的测量精度，提出了基于F-P可调谐滤波器和波长基准器，采用插值-相关谱法的处理技术，即，首先在原始光谱中每相邻两点间线性插入一些点，再利用相关谱法得到Bragg波长漂移量。该方法不但可以有效抑制噪声，而且，能精确地测量Bragg波长漂移量，从而实现高精度地测量温度、应变等外界参量。

　　1 FBG传感器原理

　　根据Bragg衍射原理，当宽带光源发出的光入射到FBG中去，FBG将把以Bragg波长为中心的窄带光谱范围内的光反射回来。Bragg波长λB由FBG的栅距A和有效折射率neff决定

　　因此，FBG可以被看作窄带滤波器，滤波器的中心波长就是Bragg波长。当FBG受到应变、温度等因素使FBG的栅距以或有效折射率neff产生变化时，被FBG反射的Bragg波长λB亦产生相应变化。由式(1)的微分得知，其Bragg波长的偏移量为

　　从而实现了待测量对反射信号光的波长编码调制。因此，通过实时监测反射波长的偏移量，再根据△nff，△Λ与待测量之间的线性关系，即可获得待测物理量的变化。

　　2 插值-相关谱法原理

　　相关谱法基于以下特征：在很多FBG传感系统中，FBG光谱只有光功率的起伏以及光谱的总体漂移，光谱的形状总是保持不变，类似于高斯分布。这个特性预示着一种可能性，即Bragg波长的漂移可以通过比较原始频谱和漂移后频谱的相似性来获得。这种相似性可以用互相关函数来表示。以下先给出频谱相关法的理论分析。

　　根据数字信号处理的理论，设2个光谱经光电转换采样后分别为X(i)和Y(i)(i=1，2，3，…，N，表示波长)，二者互相关运算定义为

　　式中j为加在x上的波长漂移。波长下标超出范围[1，N]的频谱视为零。根据互相关的性质，R(j)在x(i-j)和Y(i)重叠得最多，最相似的时候得到最大值。因为每个FBG反射回来的光谱都类似于高斯分布，所以，只要先采集一个基准谱，然后，与实测谱进行互相关运算，求得互相关值最大时所对应的j值，就可以得到实测谱的漂移，也就得到了Bragg波长的漂移。