張登攀,王 瑨,,王永杰

(1.河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,河南 焦作 454000；2.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,北京 100083)

·光電技術(shù)與系統(tǒng)·

基于FBGA光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法

張登攀1,王 瑨1,2,王永杰2

(1.河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,河南 焦作 454000；2.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,北京 100083)

針對(duì)海洋儀器高精度、大范圍、快速的測(cè)溫需求,提出基于FBGA(Fiber Bragg Grating Analyzer)的光纖光柵解調(diào)方法,并針對(duì)其自身溫漂現(xiàn)象提出一種基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長(zhǎng)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法,進(jìn)而減小系統(tǒng)誤差,提高系統(tǒng)測(cè)試精度。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)整體測(cè)試,引用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具體說(shuō)明采用提出的方法可使系統(tǒng)測(cè)溫重復(fù)性絕對(duì)誤差保持在±0.1 ℃以?xún)?nèi),具有與MOI系統(tǒng)(Micron Optics)相當(dāng)?shù)慕庹{(diào)精度。采用本方法的解調(diào)系統(tǒng)具有優(yōu)良的測(cè)試特性,同時(shí)小型化、低成本的優(yōu)勢(shì)使其更具有實(shí)用價(jià)值。

光纖光柵；FBGA；實(shí)時(shí)校準(zhǔn)；海洋溫度

1 引 言

海水溫度是反映海水狀況最基本的物理量之一,對(duì)于溫度參數(shù)的獲取也存在環(huán)境因素上的特殊性[1]。與傳統(tǒng)傳感器相比,光纖傳感器具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍廣、可靠性高、成本低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。光纖傳感技術(shù)在海洋監(jiān)測(cè)中也具有本征絕緣、成本低廉、組網(wǎng)成陣方便等優(yōu)勢(shì),國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展大量研究工作。如采用特殊形式封裝的FBG溫度傳感器響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到48.6 ms,優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器,同時(shí)其靈敏度為27.6 pm/ ℃[4]。開(kāi)展海洋水文微細(xì)結(jié)構(gòu)研究時(shí),要求測(cè)溫傳感器具有較高的時(shí)間常數(shù)和溫度靈敏度,同時(shí)解調(diào)系統(tǒng)必須同時(shí)具備高靈敏度、快速響應(yīng)、高精度等性能。到目前為止,光纖光柵解調(diào)方法大體分為干涉法和濾波法兩類(lèi),但普遍存在解調(diào)速度慢、價(jià)格高、精度較低等現(xiàn)象[5-8]。用途較為廣泛的基于FPGA的解調(diào)系統(tǒng)雖能實(shí)現(xiàn)高速率、高精度的監(jiān)測(cè),但其響應(yīng)的是一系列離散的波長(zhǎng),測(cè)量范圍較小[9]。

對(duì)于實(shí)際的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè),迫切需要研發(fā)一種體積小、成本低、采樣速度快、測(cè)量范圍廣、精度高,且便于攜帶的光纖Bragg解調(diào)系統(tǒng)?；诖?本文提出采用一種結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕,具有高靈敏度、高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍和毫秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間的FBGA光纖光柵解調(diào)方法。此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶信號(hào)的同步測(cè)量,且其響應(yīng)的是連續(xù)光譜,這是有別于掃描濾波器的優(yōu)點(diǎn)所在。在海洋溫度監(jiān)測(cè)中,要求測(cè)溫精度達(dá)到±0.1 ℃。實(shí)驗(yàn)證明,在某一工作溫度下,FBGA波長(zhǎng)精度為±11 pm。這對(duì)于靈敏度為27 pm/ ℃的傳感器要實(shí)現(xiàn)±0.1 ℃的高精度測(cè)量產(chǎn)生的影響是致命的?；谶@種考慮,本文在軟件算法和硬件方面綜合考慮采用一種基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法,減小FBGA對(duì)高精度測(cè)溫的影響,進(jìn)而滿(mǎn)足系統(tǒng)高精度的測(cè)溫要求。

2 FBGA工作原理

FBGA工作原理如圖1所示。從FBG傳感器返回的多波長(zhǎng)光譜信號(hào)通過(guò)光纖輸入到FBGA模塊的單端口,經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后照射到體相位光柵VPG(Volume Phase Gratings)進(jìn)行光譜分離,衍射區(qū)匯聚到一個(gè)InGaAs探測(cè)器陣列上。由控制電路讀出信號(hào),經(jīng)由數(shù)據(jù)處理單元獲得要探測(cè)的信息。通過(guò)USB接口將原始數(shù)據(jù)和處理加工過(guò)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在主機(jī)里。

圖1 FBGA工作原理

3 基于FBGA實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)校正方法

3.1 波長(zhǎng)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法

波長(zhǎng)校準(zhǔn)是光纖傳感解調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工程化、實(shí)用化所必須的,即通過(guò)試驗(yàn)建立系統(tǒng)輸入和輸出之間的某種準(zhǔn)確函數(shù)關(guān)系。采用正確的波長(zhǎng)校準(zhǔn)方法不僅可以提高系統(tǒng)自身解調(diào)精度,還可以有效彌補(bǔ)由于傳感器本身非線(xiàn)性所引入的誤差[10]。比較常見(jiàn)兩種F-P濾波器的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)校正方案[11],根據(jù)實(shí)際應(yīng)用分析,綜合FBGA模塊的特點(diǎn),選擇并聯(lián)型校正方案。

FBGA實(shí)時(shí)校正方法的核心就是獲得較多的參考光柵點(diǎn),進(jìn)而獲得較高的修正精度；爭(zhēng)取更多的測(cè)量點(diǎn),進(jìn)而使系統(tǒng)更工業(yè)化。采用1×2光開(kāi)關(guān)控制1路傳感FBG和1路F-P標(biāo)準(zhǔn)具,在不損失測(cè)量精度和測(cè)量范圍的前提下,通過(guò)采用時(shí)分復(fù)用的方式增加了測(cè)量點(diǎn)數(shù)。本方法選擇熱穩(wěn)定F-P標(biāo)準(zhǔn)具作為參考光柵,利用其透射光譜的多個(gè)峰值位置,定位待測(cè)光柵反射光譜峰值波長(zhǎng)。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

熱穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)質(zhì)是一個(gè)固定腔長(zhǎng)的F-P梳狀濾波器,在-5 ℃到70 ℃的工作溫度區(qū)間之內(nèi)波長(zhǎng)漂移量為6 pm。解調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)試環(huán)境中溫度變化最大為10 ℃,所以器件本身的最大波長(zhǎng)漂移僅為0.8 pm/ ℃左右,因此可減少高精度控溫模塊,在增加參考測(cè)量點(diǎn)和提高測(cè)量精度的同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),降低系統(tǒng)成本。本系統(tǒng)選用的是浦芮斯光電技術(shù)公司的F-P標(biāo)準(zhǔn)具,波長(zhǎng)范圍是1525～1565 nm,自由光譜范圍為1.6 nm。ASE光源連接其輸入端,光譜儀連接輸出端,測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)物圖及光譜圖

3.2 FBG波長(zhǎng)計(jì)算方法

在解調(diào)過(guò)程中,已知所選用標(biāo)準(zhǔn)具的每個(gè)透射峰的中心波長(zhǎng)真實(shí)值分別為A1,A2,…,An,按照從小到大的順序依次輸入配置文件,在軟件運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)被修改。解調(diào)出各個(gè)峰的中心波長(zhǎng)分別為B1,B2,…,Bn,建立FBGA測(cè)量值與真實(shí)值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,確定每個(gè)峰值所對(duì)應(yīng)的真實(shí)值。將標(biāo)準(zhǔn)具、FBG并聯(lián)在光路中,FBGA模塊每次掃描采集其光譜數(shù)據(jù),計(jì)算傳感FBG反射光譜相對(duì)于F-P標(biāo)準(zhǔn)具的各個(gè)峰值的相對(duì)位置,根據(jù)事先配置文件中已有的波長(zhǎng)列表,找出最相鄰的兩個(gè)峰值波長(zhǎng),即當(dāng)FBG的中心波長(zhǎng)出現(xiàn)在F-P標(biāo)準(zhǔn)具參考波長(zhǎng)λm和λm+1之間,如圖4所示,根據(jù)相對(duì)索引值以臨近原則計(jì)算FBG反射光譜的中心波長(zhǎng)。

圖4 FBG波長(zhǎng)計(jì)算示意圖

將待測(cè)傳感光柵的波長(zhǎng)與相鄰的兩個(gè)F-P標(biāo)準(zhǔn)具參考波長(zhǎng)之間近似看作是線(xiàn)性關(guān)系,這一近似關(guān)系僅是在標(biāo)準(zhǔn)具相鄰兩峰之間,在這樣一個(gè)很小的范圍之內(nèi)是比較準(zhǔn)確的。FBG的中心波長(zhǎng)可分為以下兩種情況分別求出。

當(dāng)FBG波長(zhǎng)λ接近λm時(shí),如圖4(a):

(1)

當(dāng)FBG波長(zhǎng)λ接近λm+1時(shí),如圖4(b):

(2)

以上兩式中,λm、λm+1是F-P標(biāo)準(zhǔn)具的參考波長(zhǎng),λ是待測(cè)FBG波長(zhǎng),a、b是參考波長(zhǎng)所在位置,c是待測(cè)FBG波長(zhǎng)所在位置,c在a和b之間。此時(shí),FBG波長(zhǎng)只與F-P標(biāo)準(zhǔn)具的參考波長(zhǎng)有關(guān),不再受FBGA模塊自身溫漂的影響,只需對(duì)FBG通道和參考通道進(jìn)行實(shí)時(shí)同步采集和峰值檢測(cè),由FBG波長(zhǎng)所在位置和相鄰兩個(gè)參考波長(zhǎng)及位置計(jì)算得出,此種方法可消除FBGA溫漂現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)解調(diào)精度的影響,從而提高系統(tǒng)的解調(diào)精度和穩(wěn)定性。

4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 增敏光纖布拉格光柵傳感器溫度特性測(cè)試

光纖Bragg光柵傳感器是溫度解調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分,其性能的好壞直接影響到整個(gè)解調(diào)系統(tǒng)的效果。裸光柵的溫度靈敏度較低,會(huì)直接影響系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境變化的感應(yīng)。在本實(shí)驗(yàn)中采用文獻(xiàn)[4]中增敏封裝的FBG溫度傳感器進(jìn)行溫度特性測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)中,將增敏封裝的FBG1、FBG2溫度傳感器放入恒溫水浴槽,改變水浴槽溫度,每升溫5 ℃并穩(wěn)定一個(gè)小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 溫度特性測(cè)試誤差

對(duì)比表1中數(shù)據(jù),測(cè)得數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)際溫度相差不大,且讀數(shù)穩(wěn)定。對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,由圖5可看出,線(xiàn)性度較好,且斜率接近為1。

圖5 溫度特性測(cè)試結(jié)果

4.2 重復(fù)性測(cè)試

評(píng)價(jià)解調(diào)系統(tǒng)性能指標(biāo)中,重復(fù)性是其中重要的一項(xiàng)。重復(fù)性一般體現(xiàn)的是設(shè)備本身的固有誤差。

本系統(tǒng)的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)分為升溫和降溫穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。第一步,進(jìn)行升溫穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。采用FBG1溫度傳感器,將其放入恒溫水浴槽,每升溫5 ℃并穩(wěn)定一個(gè)小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)。間隔5 h,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 升溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

第二步進(jìn)行降溫穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。同樣采用FBG1溫度傳感器,將其放入恒溫水浴槽,每降溫5 ℃并穩(wěn)定一個(gè)小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)。間隔5 h,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 降溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

四組實(shí)驗(yàn)的絕對(duì)誤差如圖6所示。

圖6 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)絕對(duì)誤差

從表2、3和圖6可以看出,無(wú)論是升溫還是降溫實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)對(duì)溫度測(cè)量的絕對(duì)誤差都保持在±0.1 ℃以?xún)?nèi),說(shuō)明系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

4.3 解調(diào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證該解調(diào)系統(tǒng)的精度,選取6個(gè)不同波長(zhǎng)的溫度傳感器,分別用MOI解調(diào)儀SM125系列和文中方法進(jìn)行溫度特性對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn),每升溫5 ℃并穩(wěn)定一個(gè)小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)如表4和表5所示。

對(duì)比以上兩組數(shù)據(jù)可知:在同一設(shè)定溫度、同一傳感器下,比較所測(cè)溫度與設(shè)定溫度之間的平均誤差,FBGA與MOI解調(diào)方案相差不多；在同一設(shè)定溫度下,隨著傳感器波長(zhǎng)的變化,比較所測(cè)溫度與設(shè)定溫度之間的平均誤差,FBGA與MOI解調(diào)方案也相差不大。由此說(shuō)明,采用此種校準(zhǔn)方法的FBGA解調(diào)系統(tǒng)具有與MOI相當(dāng)?shù)慕庹{(diào)精度,由系統(tǒng)原因造成的測(cè)量誤差很小。

表4 SM125測(cè)試數(shù)據(jù)

表5 FBGA測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

F-P標(biāo)準(zhǔn)具的多波長(zhǎng)參考,可以達(dá)到pm級(jí)別的實(shí)時(shí)波長(zhǎng)校準(zhǔn)精度,這是一種理想的校準(zhǔn)波長(zhǎng)參考。采用該種實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法,系統(tǒng)波長(zhǎng)檢測(cè)精度不再受FBGA解調(diào)模塊自身溫漂特性的影響,而且在一定程度上也消除了由傳感器非線(xiàn)性帶來(lái)的測(cè)量誤差。FBGA解調(diào)模塊具有有別于普通F-P掃描濾波器的連續(xù)光譜掃描特性,同時(shí)具有快速、大動(dòng)態(tài)范圍、高精度的測(cè)試特性,使其能夠滿(mǎn)足海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的特殊需求,同時(shí)在橋梁、大壩及電力設(shè)備等環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用潛力。

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Real-time calibration technique of fiber Bragg grating demodulation system based on FBGA

ZHANG Deng-pan1,WANG Jin1,2,WANG Yong-jie2

(1.School of Mechanical & Power Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China;2.Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China)

Aiming at the requirement of high-precision large-scale fast-response temperature measurement of ocean instruments,a new demodulation method of fiber Bragg grating (FBG)based on FBGA (Fiber Bragg Grating Analyzer)is presented.To solve the problem of system temperature drift,a real-time calibration technology based on F-P etalon is proposed,which can reduce system errors and improve test precision of the system.Through testing the system and analyzing experimental data,the absolute error of temperature measurement repeatability can keep within ±0.1 ℃ by adopting this method,and its demodulation precision can also match that of MOI (Micron Optics).This system has excellent testing characteristics and advantages of miniaturization and low cost,which has much practical value.

fiber Bragg grating;FBGA;real-time calibration;ocean temperature

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.41276094);中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)A(No.XDA110-40201)項(xiàng)目資助。

張登攀(1975-)，男，副教授，博士，主要從事精密測(cè)量技術(shù)及儀器的研究。E-mail:zhangdengpan@hpu.edu.cn

2014-10-21;

2014-11-21

1001-5078(2015)07-0825-05

TP21

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.020