基于DSP的光纖光柵解調系統的設計

0 引言

光纖布拉格光柵傳感器(FBGS)是用光纖布拉格光柵(FBG)作敏感元件的功能型光纖傳感器，可用于直接檢測溫度和應變，以及與溫度和應變有關的其他許多物理量和化學量的間接測量。在光纖布拉格光柵傳感器的應用研究中，波長解調是一個重要的方面。目前限制光纖光柵傳感器應用的最主要障礙是傳感信號的解調。波長解調方法主要有光譜儀、斜邊濾波法、可調諧濾波法、干涉掃描法、匹配光柵法等。但是，在這幾種方法中，光譜儀成本較高，斜邊濾波法的分辨率較小，干涉儀沒有好的重復性，而可調諧濾波器的掃描周期較長。因此，近年來，匹配光柵法越來越受到人們的青睞。為此，文中介紹了一種簡單、廉價且由兩個并聯的匹配光柵解調來檢測光纖光柵傳感器的系統設計方法。

1 雙光柵匹配原理

雙光柵匹配系統示意圖如圖1所示。寬帶光源發出的光經3 dB耦合器進入傳感FBG。再由FBG反射后進人兩路匹配光柵，對應的兩個光電探測器得到與其對應波長有關的光信號，然后由光電探測器將其轉換為電信號并進入信號采集處理電路提取有用信號，最后由后續信號處理系統實現數據的采集與處理。


圖1中，PD1和PD2為光電探測器，光電探測器所探測到的光功率P為：


其中I1(λ)和I2(λ)分別為傳感光柵和匹配光柵的反射功率譜密度函數。兩者的反射功率譜函數均可用高斯函數近似表示：


式中，I0為反射譜強度峰值;λs為反射譜強度為I0時對應的波長值;△λs為反射譜的3 dB帶寬。一般情況下，光電探測器所探測到的光功率的大小與傳感光柵和匹配光柵的反射譜的卷積大小成正比。傳感光柵的中心波長λc與匹配光柵的中心波長 λp的差值越小，對應的卷積值越大。由于△λ大于閾值△λmin時，卷積值過小可能無法繼續解調，因此，解調范圍會受到限制。