李政穎 周磊 孫文豐 李子墨 王加琪 郭會勇 王洪海

1)(武漢理工大學(xué),光纖傳感技術(shù)與信息處理教育部重點實驗室,武漢 430070)2)(武漢理工大學(xué),光纖傳感技術(shù)國家工程實驗室,武漢 430070)(2016年5月24日收到;2016年9月28日收到修改稿)

基于色散效應(yīng)的光纖光柵高速高精度解調(diào)方法研究?

李政穎1)2)?周磊1)孫文豐1)李子墨1)王加琪1)郭會勇2)王洪海2)

1)(武漢理工大學(xué),光纖傳感技術(shù)與信息處理教育部重點實驗室,武漢 430070)2)(武漢理工大學(xué),光纖傳感技術(shù)國家工程實驗室,武漢 430070)(2016年5月24日收到;2016年9月28日收到修改稿)

利用普通單模光纖(SMF)與色散補償光纖(DCF)分別具有正色散和負色散系數(shù)特性,實現(xiàn)光纖光柵陣列的高速高精度解調(diào).系統(tǒng)采用全光纖結(jié)構(gòu),僅需發(fā)出單一高速光脈沖,即可根據(jù)反射光脈沖時延差同時獲取各個光柵的波長與位置信息,大幅提高了光纖光柵解調(diào)速度;通過建立DCF-SMF雙通道和色散差矯正模型,削弱了溫度變化及色散值誤差對系統(tǒng)解調(diào)精度的影響.實驗表明,本方法解調(diào)速率可達1 MHz,解調(diào)過程受傳感網(wǎng)絡(luò)光纖及雙通道溫變影響較小,具有良好穩(wěn)定性及高精度;5—75?C溫度擾動實驗中,傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸光纖溫變時系統(tǒng)解調(diào)均方差16.8pm,DCF-SMF雙通道受溫度擾動時系統(tǒng)解調(diào)均方差為11.9pm,恒溫下系統(tǒng)長時間解調(diào)時均方差為6.4pm;應(yīng)力實驗中,解調(diào)線性度可達0.9998,解調(diào)精度約為8.5pm.

光纖傳感,普通單模光纖,色散補償光纖,高速高精度

1引 言

光纖布拉格光柵( fi ber Bragg grating,FBG)因具有靈敏度高、體積小、抗電磁干擾、防腐蝕及易組建準(zhǔn)分布式傳感網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于軍事、交通、建筑和航空等領(lǐng)域[1,2].但在爆炸沖擊波分析、超聲波探傷及航空發(fā)動機監(jiān)測等特殊應(yīng)用領(lǐng)域,需探測的信號頻率一般在kHz[3]至MHz[4]高頻級別,FBG傳感器的應(yīng)用受制于傳統(tǒng)波長解調(diào)技術(shù).如何實現(xiàn)超高速光纖光柵中心波長的精確解調(diào),是FBG在上述特殊領(lǐng)域應(yīng)用中亟待解決的關(guān)鍵問題之一.

關(guān)于FBG光纖光柵的高速解調(diào),國內(nèi)外相繼進行了積極探索研究.2008年,韓國釜山大學(xué)Jung等[5]利用傅里葉鎖模(Fourier domain mode locking,FDML)掃頻激光技術(shù),實現(xiàn)了31.3kHz的FBG傳感陣列高速解調(diào);2009年,日本東京大學(xué)Nakazaki等[6]實現(xiàn)了基于色散調(diào)諧技術(shù)的FDML掃頻激光器解調(diào)法,解調(diào)速度達到40kHz;2014年,美國北卡羅萊納州立大學(xué)van Hoe等[7]采用微機電(micro-electro-mechanical system,MEMS)可調(diào)諧光檢測器實現(xiàn)了13個復(fù)用光纖光柵陣列的100kHz高速解調(diào).在國內(nèi),2004年,南開大學(xué)光學(xué)研究所報道了一種長周期光纖光柵邊沿濾波的線性解調(diào)法,該方法基于光強度測量,解調(diào)速率可達數(shù)十kHz[8];2007年,天津大學(xué)李麗等[9]采用基于相位載波零差法的非平衡Mach-Zender干涉解調(diào)技術(shù)實現(xiàn)了10kHz的解調(diào)速率;2015年,本課題組[10]采用分布反饋式激光器(DFB)進行光譜掃描,實現(xiàn)了1nm光譜范圍內(nèi)100kHz的FBG光纖光柵高速解調(diào).

但上述高速光纖光柵解調(diào)方法應(yīng)用時存在局限性,如:FDML掃頻激光法激光諧振腔較長,易受外界環(huán)境變化干擾,穩(wěn)定性不足;可調(diào)諧光檢測器法受限于MEMS結(jié)構(gòu),調(diào)諧速率難以進一步提升;邊沿濾波法基于光強度測量,光強擾動將影響解調(diào)準(zhǔn)確性;干涉儀法受環(huán)境干擾較大,僅能檢測動態(tài)信號;DFB激光器光譜掃描法僅能實現(xiàn)1nm范圍內(nèi)高速掃描,光譜范圍太小.針對上述不足,本文提出利用色散補償光纖(dispersion compesation fi ber,DCF)與普通單模光纖(single mode fi ber,SMF)在反常色散區(qū)分別具有負色散[11]與正色散[12]系數(shù),對入射光信號產(chǎn)生不同延遲效應(yīng)的特性,實現(xiàn)光纖光柵的高速高精度解調(diào).系統(tǒng)采用全光纖結(jié)構(gòu),無需提前標(biāo)定各光柵間距及波長掃描,單一高速光脈沖下即可根據(jù)反射光脈沖時延差實現(xiàn)光柵波長與位置信息的同步解耦.通過構(gòu)建DCF-SMF反射信號光雙通道,引入?yún)⒖脊鈻偶吧⒉钪党C正模型,有效削弱了傳感網(wǎng)絡(luò)光纖溫變和雙通道溫變及色散值誤差對系統(tǒng)解調(diào)精度的影響,具有高速、高精度及較好的穩(wěn)定性等特點,適用于準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)解調(diào).本文闡述了該方法的原理,并進行了實驗測試與分析.

2理論分析

2.1 解調(diào)原理

圖1所示為基于光纖色散效應(yīng)的FBG高速高精度解調(diào)系統(tǒng)原理圖.高速脈沖激光器發(fā)出寬譜光脈沖被FBG光柵陣列反射,形成后向窄譜光脈沖經(jīng)耦合器C1同時進入色散補償光纖與普通單模光纖中傳輸,由于DCF與SMF在反常色散區(qū)分別具有負色散和正色散系數(shù),不同波長的脈沖光信號在雙通道中產(chǎn)生不同時延.匹配DCF與SMF長度,使SMF中信號相較于DCF中信號稍晚到達耦合器C2,經(jīng)匯合后形成圖1中C點時延對比信號,實現(xiàn)光柵信息—時域脈沖轉(zhuǎn)換,通過測量脈沖時延即可實現(xiàn)光纖光柵波長與位置信息的解調(diào).

圖1 (網(wǎng)刊彩色)基于光纖色散效應(yīng)的FBG高速高精度解調(diào)系統(tǒng)Fig.1.(color online)A high speed and high precision demodulation system of FBG based on fi ber dispersion e ff ect.

設(shè)τLr與τLi分別為參考光柵FBG#r與傳感光柵FBG#i反射形成窄譜脈沖光,從激光器發(fā)出經(jīng)光柵反射至耦合器C1的時間,則

式中,Lr為光脈沖從激光器發(fā)出經(jīng)FBG#r反射到耦合器C1所傳輸光程,di為傳感網(wǎng)絡(luò)中FBG#r與FBG#i的間距,neff為光纖纖芯有效折射率,c為真空中光速.

在耦合器C1處,對于進入DCF通道傳輸?shù)牟糠止饷}沖,設(shè)τDCFr與τDCFi分別為FBG#r與FBG#i反射脈沖光從C1處到達光電探測器的時

其中,(LDCF+ΔLDCF)nDCF/c為脈沖光在DCF中因傳輸光程引起延時;τDr與τDi為光脈沖因DCF色散導(dǎo)致延時;LDCF,nDCF,ΔLDCF分別為DCF的總長度、纖芯有效折射率及DCF因外界擾動如溫度波動引起的長度改變.

又根據(jù)色散特性,τDi可表示為

式中,λi與λr分別為傳感光柵與參考光柵中心波長,DDCF為色散補償光纖總色散.則由(1),(2),(3)式可知,光脈沖從激光器發(fā)出至被參考光柵與傳感光柵反射并經(jīng)DCF通道到達光電探測器的總時間τr與τi分別為

則FBG#i與FBG#r反射光脈沖的時間間隔τir為

(6)式中,恒溫控制FBG#r確保其中心波長λr不變,由于di,DDCF等近似為定值,測量變化僅引起λi與τir變化,因而僅利用DCF也可實現(xiàn)FBG波長解調(diào).系統(tǒng)初始化時標(biāo)定λr及di,則根據(jù)脈沖時間間隔τir即可解調(diào)出波長λi.但僅利用DCF局限性較大,當(dāng)傳感網(wǎng)絡(luò)較長時,FBG#i與FBG#r間距di較大,此時di受環(huán)境影響產(chǎn)生的長度擾動Δdi不可忽略,且(5)式中2dineff/c? DDCFΔλi,光柵間距di輕微擾動將嚴(yán)重影響波長λi的解調(diào)精度.

為保證精確性,消除Δdi的影響,可利用SMF與DCF色散系數(shù)不一致的特性,構(gòu)建DCF-SMF反射脈沖光雙通道進行解調(diào).在耦合器C1處,對于進入SMF通道傳輸?shù)牟糠止饷}沖,設(shè)普通單模光纖總色散為DSMF,則由(5)式可得到達光電探測器時FBG#i與 FBG#r反射脈沖光時間間隔 τi′r′為

聯(lián)立(5)和(7)式,即可求解得傳感光柵FBG#i中心波長λi及位置信息di:

由(8)式知,通過構(gòu)建DCF-SMF雙通道,能夠消除光柵間距Δdi擾動的影響,優(yōu)化系統(tǒng)精度的同時可同步完成λi及di的解耦,無需提前標(biāo)定各光柵間距,增強了實用性.且DCF-SMF受外界擾動產(chǎn)生的長度變化ΔLDCF,ΔLSMF等由于參考光柵的使用被抵消,使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精度得到進一步改善.

2.2 色散系數(shù)矯正

光纖的色散系數(shù)D可由(9)式定義[13]:

式中,τ為群延時;L為光纖總長度;λ,ω,βc分別為波長、角頻率及傳播常數(shù);c為真空中光速.由定義式知,光纖色散系數(shù)單位為ps/(km·nm),即單位長度下脈沖展寬時間與光波長相關(guān).采用脈沖時延法[14]對雙通道總色散差D=DDCF?DSMF進行測定,長度約為15km的色散補償光纖與普通單模光纖構(gòu)成雙通道在1543—1558nm波段色散曲線如圖2所示.

圖2 DCF-SMF色散系數(shù)曲線Fig.2.The dispersion coefficient curve of DCF-SMF.

圖2中DCF-SMF在不同光波長處對應(yīng)總色散差不同,如1545nm與1557nm處分別對應(yīng)?2.18,?2.35ns/nm.以1543nm光柵為參考,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)1545,1557nm光柵與參考光柵之間時延差(τir? τi′r′)分別約為 ?4.34,?31.57ns. 若將DCFSMF總色散差近似為定值如?2.2ns/nm,利用(8)式解調(diào)得兩光柵波長為1544.973,1557.350nm,則誤差分別為27,350pm.當(dāng)光柵波長實際對應(yīng)色散值與近似值相差較大時,將產(chǎn)生嚴(yán)重誤差,近似值法僅適用較小動態(tài)范圍的光柵波長解調(diào).

為確保系統(tǒng)解調(diào)精度,需對總色散差矯正建模.DCF-SMF雙通道色散曲線在上述波段內(nèi)近似呈線性,采用線性擬合以降低復(fù)雜度,擬合公式為

根據(jù)色散的物理含義,采用數(shù)學(xué)積分思想分析色散延時,則解調(diào)(8)式可表示為

式中,λr,τir? τi′r′均為已知量,僅λi為待求量. 求解該定積分方程即可精確解調(diào)光纖光柵波長值.圖3給出了采用色散定值解調(diào)與色散模型解調(diào)時的誤差情況仿真圖,可見隨著動態(tài)范圍的增加定值解調(diào)誤差越來越大,而采用色散模型解調(diào)則在較大動態(tài)范圍內(nèi)仍能與標(biāo)定值相匹配,具有良好的精度.

普通單模光纖在1550nm波段色散值約17ps/nm·km[15],15km SMF總色散值約為0.25ns/nm,相對于DCF約?2ns/nm的總色散較小,波長變化對SMF色散值影響較小,為降低運算復(fù)雜度,位置信息di仍使用(8)式解調(diào).通過對色散曲線建模,采用數(shù)學(xué)積分思想根據(jù)色散時延解調(diào),可矯正色散差值不準(zhǔn)引起的誤差,提高精度的同時可有效增大系統(tǒng)動態(tài)范圍.受限于實驗光源,本文僅測量了1543—1558nm波段色散,若測量更廣波段色散,采用高階多項式擬合建立標(biāo)準(zhǔn)色散曲線模型,則可進一步提升系統(tǒng)動態(tài)范圍及精度.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)色散定值解調(diào)與色散模型解調(diào)誤差情況仿真圖Fig.3.(color online)The simulation diagram of demodulation error with dispersion constant value and dispersion model respectively.

3實驗系統(tǒng)及結(jié)果

圖4所示為測試系統(tǒng)框圖.實驗采用放大自發(fā)輻射光源 (ASE),輸出1530—1570nm寬譜連續(xù)光信號;通過頻率1 MHz、脈寬20ns的高穩(wěn)定性脈沖發(fā)生器驅(qū)動半導(dǎo)體光放大器(SOA)進行強度調(diào)制形成寬譜脈沖光,經(jīng)環(huán)形器進入光纖光柵陣列;反射光脈沖由耦合器C1分為兩束,一束接入光譜儀做標(biāo)定,驗證解調(diào)可行性及精度;另一束被摻鉺光纖放大器(EDFA)放大進入DCF-SMF雙通道,經(jīng)光電探測器(PD)轉(zhuǎn)換為電信號,通過Keysight DSAX93204A、采樣率80 GHz、時間分辨率達12.5ps的高速示波器采集信號.色散補償光纖與普通單模光纖長度都約為15km;光纖光柵陣列由4個FBG布拉格光柵組成,反射率均為90%.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)測試系統(tǒng)框圖Fig.4.(color online)Diagram of testing system.

3.1 解調(diào)可行性及精度驗證

通過應(yīng)力實驗驗證DCF-SMF解調(diào)可行性及精度.實驗時將FBG#r置于25°C恒溫確保其波長λr為1545.719nm,利用精密一維調(diào)節(jié)架夾持FBG#1并施加應(yīng)力,使其受到軸向均勻應(yīng)變.圖5(a)與圖5(b)分別為施加應(yīng)力前后光譜儀光譜及高速示波器波形變化.初始時,圖5(b)中DCF通道與SMF通道脈沖間隔τir與τi′r′分別為248.47ns和258.06ns,代入波長及位置解調(diào)公式得λi=1549.991nm,di=26.28m,與光譜儀顯示1550.003nm及實測間距26.25m基本相同;當(dāng)FBG#1受應(yīng)力作用發(fā)生1.89nm漂移時,圖5(b)時域脈沖也相應(yīng)漂移,其中DCF通道與SMF通道分別漂移Δτir= ?3.9ns,Δτi′r′=0.43ns,代入(11)式得λ′i=1551.883nm. Δλi=1.892nm,與光譜儀顯示變化1.89nm一致.證明DCF-SMF雙通道法解調(diào)光纖光柵中心波長及位置信息具備可行性.

應(yīng)力實驗中精密一維調(diào)節(jié)架步距50μm,從初始位置移動2000μm,記錄每次移動后光譜儀及高速示波器數(shù)據(jù),利用高斯擬合解調(diào)算法解調(diào)數(shù)據(jù).脈沖光信號產(chǎn)生頻率為1 MHz,根據(jù)示波器單次采樣數(shù)據(jù)進行波長解調(diào),解調(diào)速率達1 MHz.圖6(a)所示為解調(diào)結(jié)果,1 MHz解調(diào)速率下均方根誤差(RMSE)為19.9pm,擬合曲線線性度0.9988.若采用平均算法提高信噪比,10次平均后解調(diào)速率降低為100kHz,解調(diào)結(jié)果如圖6(b)所示,RMSE僅為8.5pm,擬合曲線線性度提升至0.9998.

單獨觀察系統(tǒng)對1個光纖光柵的波長解調(diào)情況,進行長時間穩(wěn)定性測試.當(dāng)光纖光柵處于25°C恒溫時,采集10次平均后的數(shù)據(jù)10000組,并利用高斯擬合算法進行解調(diào),結(jié)果如圖7所示.可見,系統(tǒng)解調(diào)結(jié)果在中心值1550.007nm處上下浮動,且浮動范圍隨時間增長基本保持一致,10000次解調(diào)結(jié)果的均方差(STD)為6.4pm,表明系統(tǒng)穩(wěn)定性良好.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)波形變化 (a)光譜儀光譜;(b)高速示波器時域波形Fig.5.(color online)The change of waveform:(a)Spectrometer spectrum;(b)time domain waveform of high-speed oscilloscope.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)解調(diào)結(jié)果 (a)1 MHz速率;(b)100kHz速率Fig.6.(color online)The results of demodulation:(a)Rate of 1 MHz;(b)rate of 100kHz.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)系統(tǒng)穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.7.(color online)Results of system stability test.

3.2 溫度擾動測試

分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)受環(huán)境溫變影響易產(chǎn)生較大光柵間距擾動Δdi及雙通道長度擾動ΔLDCF,ΔLSMF.本文引入的參考光柵FBG#r及DCF-SMF雙通道能夠削弱上述擾動影響,確保系統(tǒng)精度及穩(wěn)定性.下面通過溫度實驗?zāi)M外界擾動對系統(tǒng)進行檢驗.

設(shè)定傳感網(wǎng)絡(luò)長度5km,即FBG#r與FBG#i間距5km,對FBG#r恒溫控制,并加載一溫度于FBG#i,此時兩光柵中心波長分別為1541.972與1554.108nm. 將FBG#r與FBG#i之間的傳輸光纖(無光柵)置于溫控箱,設(shè)置溫度從5—75°C,步進5°C變化,驗證環(huán)境溫變產(chǎn)生擾動Δdi時對系統(tǒng)精度的影響情況,同等條件下解調(diào)數(shù)據(jù),結(jié)果如圖8實線所示.僅利用DCF進行上述溫度實驗,與DCF-SMF雙通道對比,論證光柵間距擾動Δdi消除情況,解調(diào)結(jié)果如圖8虛線所示.

圖8中,DCF-SMF解調(diào)FBG#i中心波長時基本不受傳感網(wǎng)絡(luò)光纖溫變影響,近似呈水平線,采樣數(shù)據(jù)10次平均后解調(diào)結(jié)果STD為16.8pm;僅利用DCF解調(diào)受溫度影響嚴(yán)重,呈斜向線性增大趨勢,10次平均后結(jié)果STD為3614pm.對比可知通過構(gòu)建DCF-SMF雙通道,系統(tǒng)能有效削弱傳感網(wǎng)絡(luò)光纖溫變的影響,解調(diào)精度得到提升.

圖8 傳感網(wǎng)絡(luò)溫度擾動測試結(jié)果Fig.8.The test result of sensing network with temperature disturbance.

同理,恒溫控制傳感網(wǎng)絡(luò)光柵,將由長度各約15km的DCF與SMF所構(gòu)成解調(diào)系統(tǒng)置于溫控箱中,設(shè)置溫度從5—75°C步進5°C變化,論證雙通道長度擾動ΔLDCF,ΔLSMF的消除情況.繪制高速示波器在5,40及75°C下采集波形,如圖9(a)所示,同等條件下利用解調(diào)算法解調(diào)數(shù)據(jù),結(jié)果如圖9(b)所示.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)雙通道溫度擾動測試 (a)示波器波形;(b)解調(diào)結(jié)果Fig.9.(color online)Dual-channel temperature disturbance test:(a)Oscilloscope waveform;(b)demodulation results.

由圖9(a)高速示波器采集波形可知,溫度升高時雙通道在熱膨脹效應(yīng)作用下產(chǎn)生長度擾動ΔLDCF,ΔLSMF,以及熱光效應(yīng)影響,光脈沖在雙通道中傳播時間會隨溫度的升高而逐漸延長.若采用波形初始坐標(biāo)標(biāo)定解調(diào),顯然溫度擾動將嚴(yán)重影響解調(diào)精度.本文采用參考光柵,參考兩光柵之間時延差解調(diào),可有效避免雙通道受溫度擾動的影響,提升系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性.圖9(b)中,雙通道溫度在5—75°C范圍變化時,系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)10次平均后解調(diào)結(jié)果均方差為11.9pm,而穩(wěn)定性測試中系統(tǒng)長時間解調(diào)時的均方差為6.4pm,證明雙通道溫變產(chǎn)生的擾動能被系統(tǒng)有效削弱,系統(tǒng)抗溫度擾動性能良好.

4實驗分析與討論

上述溫度實驗中,僅利用DCF解調(diào)時出現(xiàn)解調(diào)結(jié)果隨傳感網(wǎng)絡(luò)光纖溫度升高而線性增大的現(xiàn)象.下面對該現(xiàn)象產(chǎn)生原因進行探討.由理論部分(6)式的分析,因2dineff/c? DDCFΔλi,傳感網(wǎng)絡(luò)溫度變化引起光柵之間光纖熱膨脹及折射率變化,產(chǎn)生間距擾動Δdi導(dǎo)致脈沖光傳輸時延變化,造成解調(diào)誤差.對脈沖光在傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時延2dineff/c,單位長度的光纖每改變單位溫度,則傳輸時延變化為

式中,Δdi(T)為長度微元,因光纖長度與折射率都受溫度影響,分別寫成di(T)與neff(T)形式.分析可知,熱膨脹效應(yīng)引起的光纖長度變化為

而由熱光效應(yīng)引起的光纖有效折射率變化為

結(jié)合(6),(12),(13)和(14)式,可推得傳感網(wǎng)絡(luò)上間距di的FBG#r與FBG#i,每單位長度改變單位溫度解調(diào)波長變化量Δλi為

式中,以SiO2為主要成分的光纖熱膨脹系數(shù)[16]α =5.5×10?7/°C,摻鍺光纖熱光系數(shù)ζ=8.3×10?6/°C,分析(15)式可知脈沖傳輸時延隨α與ζ線性變化.溫度實驗時FBG#i波長不變,因而DCF的色散值DDCF為定值,則傳感網(wǎng)絡(luò)溫度變化時Δλi也線性變化,與3.2節(jié)中的實驗現(xiàn)象一致.

對本文所提DCF-SMF解調(diào)系統(tǒng)的誤差進行分析與討論.由原理部分的理論公式分析可知,DCF-SMF解調(diào)方法誤差的主要來源有:DCFSMF總色散差值不準(zhǔn)引起的誤差、傳感網(wǎng)絡(luò)光纖溫變和雙通道溫度擾動造成的誤差、脈沖發(fā)生器信號抖動引起采樣偏差導(dǎo)致的誤差.其中,前兩項因素起決定性作用.由實驗結(jié)果可知,通過引入色散差值矯正模型、構(gòu)建雙通道及采用參考光柵等方法,可抑制此兩項因素對系統(tǒng)的影響,使得解調(diào)系統(tǒng)誤差得到了有效減小.在削弱了這兩項因素影響的情況下,因高速示波器采樣率80 GHz,時間分辨率12.5ps,由色散模型得1550nm波長處色散差值為?2.28ns/nm,則信號抖動引起單位采樣偏差導(dǎo)致的誤差約為5.5pm.通過采用高穩(wěn)定性脈沖發(fā)生器及高斯擬合解調(diào)算法,由穩(wěn)定性測試結(jié)果6.4pm可知,信號抖動誤差同樣被控制在較小的范圍.

5結(jié) 論

利用普通單模光纖與色散補償光纖在反常色散區(qū)分別具有正色散和負色散系數(shù)特性,結(jié)合光時域反射技術(shù)實現(xiàn)光纖光柵高速高精度解調(diào).系統(tǒng)采用全光纖結(jié)構(gòu),構(gòu)建DCF-SMF雙通道及引入?yún)⒖脊鈻畔魅跬饨鐢_動因素的影響,建立色散模型矯正雙通道色散差值問題引起的解調(diào)誤差;無需標(biāo)定各光柵間距及波長掃描,單一高速光脈沖下即可完成光柵波長與位置信息的同步解耦.應(yīng)力實驗中,解調(diào)速率可達1 MHz,線性度0.9998,精度約為8.5pm;5—75°C溫度實驗中,傳感網(wǎng)絡(luò)光纖溫變時,解調(diào)均方差16.8pm,雙通道受溫度擾動影響時,解調(diào)均方差為11.9pm,而系統(tǒng)在常溫下長時間解調(diào)時的均方差為6.4pm;表明本方法具有高速高精度、良好穩(wěn)定性及動態(tài)范圍廣等特點,適用于準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)高速解調(diào).

[1]Qiao X G,Ding F,Jia Z A,Fu H W,Ying X D,Zhou R,Song J 2011 Acta Phys.Sin.60 074221(in Chinese)[喬學(xué)光,丁峰,賈振安,傅海威,營旭東,周銳,宋娟2011物理學(xué)報60 074221]

[2]Jin J,Lin S,Song N F 2014 Chin.Phys.B 23 014206

[3]Lee J R,Guan Y S,Tsuda H 2006 Smart Mater.Struct 15 1429

[4]Meng L J,Tan Y G,Zhou Z D,Liang B K,Yang W Y 2013 Chin.Mech.Eng.24 980(in Chinese)[孟麗君, 譚躍剛,周祖德,梁寶逵,楊文玉2013中國機械工程24 980]

[5]Jung E J,Kim C S,Jeong M Y,Kim M K,Jeon M Y,Jung W,Chen Z P 2008 Opt.Express 16 16552

[6]Nakazaki Y,Yamashita S 2009 Opt.Express 17 8310

[7]van Hoe B,Oman K,Peters K,van Steenberge G,Stan N,Schultz S 2014 IEEE Sensors 2014 Valencia Spain,November 2–5,2014p402

[8]Liu B,Tong Z R,Chen S H,Zeng J,Kai G Y,Dong X Y,Yuan S Z,Zhao Q D 2004 Acta Opt.Sin.24 199(in Chinese)[劉波,童崢嶸,陳少華,曾劍,開桂云,董孝義,袁樹忠,趙啟大2004光學(xué)學(xué)報24 199]

[9]Li L,Lin Y C,Shen X Y,Fu L H,Wang W 2007 J.Trans.Technol.20 994(in Chinese)[李麗,林玉池,沈小燕,付魯華,王為2007傳感技術(shù)學(xué)報20 994]

[10]Liu Q,Wang Y M,Liu S Q,Li Z Y 2015 J.Optoelectron.·Laser 26 1473(in Chinese)[劉泉, 王一鳴, 劉司琪,李政穎2015光電子·激光 26 1473]

[11]Li P,Shi L,Sun Q,Feng S J,Mao Q H 2015 Chin.Phys.B 24 074207

[12]Tan S J,Harun S W,Ali N M,Ismail M A,Ahmad H 2013 Quantum Electron.IEEE J.49 595

[13]Wang Z F,Liu X M,Hou J 2010 Chin.J.Lasers 37 1496(in Chinese)[王澤鋒,劉小明,侯靜 2010中國激光37 1496]

[14]Zou X H,Zhang S J,Wang H,Zheng X,Ye S W,Zhang Y L,Liu Y 2014 J.Optoelectron.·Laser 25 932(in Chinese)[鄒新海,張尚劍,王恒,鄭秀,葉勝威,張雅麗,劉永2014光電子·激光 25 932]

[15]Zhang L C,Hou L T,Zhou G Y 2011 Acta Phys.Sin.60 054217(in Chinese)[張立超,侯藍田,周桂耀 2011物理學(xué)報60 054217]

[16]Li D S,Liang D K,Pan X W 2005 Acta Opt.Sin.25 1166(in Chinese)[李東升,梁大開,潘曉文2005光學(xué)學(xué)報25 1166]

PACS:42.81.–i,42.81.Pa,42.81.UvDOI:10.7498/aps.66.014206

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.61575149).

?Corresponding author.E-mail:zhyli@whut.edu.cn

High speed and high precision demodulation method of fi ber grating based on dispersion e ff ect?

Li Zheng-Ying1)2)?Zhou Lei1)Sun Wen-Feng1)Li Zi-Mo1)Wang Jia-Qi1)Guo Hui-Yong2)Wang Hong-Hai2)

1)(Key Laboratory of Optical Fiber Sensing Technology and Information Processing,Ministry of Education,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)2)(National Engineering Laboratory for Fiber Optic Sensing Technology,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)(Received 24 May 2016;revised manuscript received 28 September 2016)

Fiber Bragg grating sensor is widely used in military,construction,transportation,aviation and other fi elds due to its advantages in high sensitivity,high precision,high multiplexing and small volume.However,in some special fi elds such as ultrasonic fl aw detection,high-speed vibration and aeroengine monitoring,the signals are rapidly changing,thus requiring high speed sampling.But the demodulation speed of traditional fi ber Bragg grating demodulation techniques is hardly to satisfy the requirements,which seriously limits the application of fi ber Bragg grating sensor in these fi elds.To solve this problem,in this paper we propose a dispersion compensation fi ber(DCF)-single mode fi ber(SMF)dualchannel demodulation method.Based on the SMF and the DCF with the characteristics of positive and negative dispersion coefficients in the anomalous dispersion region respectively,and combining with the optical time domain re fl ection technology,high speed and high precision demodulation of fi ber grating can be realized.This system adopts the whole fi ber structure without wavelength scanning,and the grating wavelength and position information can be obtained according to the pulse delay di ff erence under a single optical pulse.There are three factors that quite in fl uence the system accuracy and need to be solved:the grating space disturbance which is caused by the temperature change of the sensor network fi ber;the dual-channel length disturbance caused by the DCF-SMF dual-channel temperature change;the dispersion disturbance caused by the inaccurate dispersion di ff erence of the DCF-SMF.By constructing the DCF-SMF dual-channel,adopting the reference grating and introducing the dispersion di ff erence correction model,these in fl uence factors are solved.The case of temperature disturbance elimination is tested by the 5–75?C temperature experiments.And the results are as follows:when the temperature of the sensor network fi ber changes,the standard deviation of this dual-channel demodulation system is 16.8pm,while only using the DCF single-channel to form the demodulation system,the standard deviation is 3614pm.And when the DCF-SMF dual-channel is disturbed by temperature,the standard deviation is 11.9pm.For a long time demodulation under constant temperature,the standard deviation of this system is 6.4pm.Thus the in fl uences of the sensor network fi ber temperature change and the dual-channel temperature change on the system demodulation accuracy are e ff ectively reduced.The feasibility and accuracy of this method are also veri fi ed by the strain experiment.Experimental results show that the highest demodulation rate of this method is 1 MHz,while the linearity can be up to 0.9998,and the accuracy is about 8.5pm.So the system with the dispersion di ff erence correction model has a high precision.Therefore,this novel demodulation method has advantages of high speed and high precision,good stability and large dynamic range,and it is very applicable to quasi-distributed fi ber Bragg grating sensing system.

optical fi ber sensing,single mode fi ber,dispersion compensation fi ber,high speed and high precision

10.7498/aps.66.014206

?國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:61575149)資助的課題.

?通信作者.E-mail:zhyli@whut.edu.cn