【正文】 ............................................................. 49 附錄 5 ................................................................................................................... 50 第 1章 緒論 1 第 1 章 緒論 課題研究的背景與意義 近年來(lái) ， 光纖光柵技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在傳感和通信領(lǐng)域都引起了人們的廣泛關(guān)注。詳細(xì)介紹了解 調(diào)方案的工作原理，對(duì)其中的 22 和 33 耦合器構(gòu)成 MZ干涉儀進(jìn)行光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)的方法進(jìn)行了研究，建立了相關(guān)的系統(tǒng)傳感模型，進(jìn)行了相關(guān)的理論分析， 得到了相關(guān)的數(shù)學(xué)方程，為 寫(xiě) MATLAB 程序提供了參考依據(jù)。具體內(nèi)容如下： 對(duì)光纖光柵從發(fā)展動(dòng)態(tài)、分類(lèi)和光纖光柵傳感器的研究現(xiàn)狀 、存在的問(wèn)題等方面進(jìn)行了詳細(xì)的敘述。 ：《中國(guó)激光》、《光學(xué)學(xué)報(bào)》、《光子學(xué)報(bào)》、《光電子 參 考 資 料 ：《 Fiber Bragg Grating》、《光電檢測(cè)技術(shù)》等。本文主要對(duì)光纖光柵（ FBG）振動(dòng)傳感系統(tǒng)進(jìn)行研究，重點(diǎn)討論了基于 FP 濾波器的解調(diào)方案。 介紹了幾種光纖光柵傳感技術(shù)，并確定了可調(diào)諧 FP 濾波法為解調(diào)方案。 Vibration demodulation。最近幾年，隨著光纖光柵制備工藝的日漸成熟，在其光傳感方面，人們對(duì)其進(jìn)行了更加廣泛與深入的研究。振動(dòng)傳感器還包括匹配光纖光柵振動(dòng)傳感器， 它的工作原理是利用一個(gè)與傳感光纖Bragg 光柵參數(shù)相同的光纖光柵來(lái)作為參考元件，使匹配光柵跟蹤傳感光柵的波長(zhǎng)變化，進(jìn)行匹配濾波，最后 通過(guò)探測(cè)解調(diào)光柵的反射光強(qiáng)度的變換，間接檢測(cè)到振動(dòng)傳感信號(hào)的變化規(guī)律。因此，對(duì) 光纖光柵振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行解調(diào) 的 技術(shù)的研究具有重要意義。自此在世界上掀起了研究光纖光柵的高潮。因此，人們可以不必使用價(jià)格昂貴的高濃度摻鍺光纖，在普通通信光纖上就能很容易的寫(xiě)出高反射率的光纖Bragg 光柵。 經(jīng)過(guò)三十多年的 發(fā)展，光纖光柵的寫(xiě)入技術(shù)日臻完善，光纖的光敏性不斷提高，人們研制出了各種各樣的特種光纖，使得光纖光柵的商用化程度不第 1章 緒論 3 斷提高。折射率的變化可導(dǎo)致光柵結(jié)構(gòu)的變化，根據(jù)其空間折射率分布和調(diào)制周期分布，可將光柵劃分為均勻周期光纖光柵和非均勻周期光纖光柵兩種類(lèi)型 ,下面將分別介紹。它的光柵周期與折射率調(diào)制深度都是常數(shù)，而且光柵波矢方向與光纖軸線(xiàn)方向一致。這種光纖光柵不但能引起反向?qū)Ｖg的耦合，而且還能將基模耦合到包層中損耗掉。同時(shí)長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)外界應(yīng)力、溫度等因素的變化較光纖 Bragg光柵更為敏感，所以它在改變放大器的增益平坦性和光纖傳感等方面得到廣泛應(yīng)用。 （ 2） 超結(jié)構(gòu)光纖光柵 超結(jié)構(gòu)光纖光柵利用方波函數(shù)對(duì)光纖 Bragg 光柵或惆啾光柵的折射率分布進(jìn)行調(diào)制。 （ 4） 相移光纖光柵 相移光纖光柵的特點(diǎn)是光柵相位在某些位置發(fā)生跳變，從而改變光譜的分布，由于高質(zhì)量的波長(zhǎng)選擇性，插入損耗低，而且與偏振態(tài)無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，使得它在全光通信網(wǎng)絡(luò)中有重要的應(yīng)用 ， 特別是在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中相移第 1章 緒論 5 光纖光柵做解復(fù)用器。 （ 1） 民用工程的應(yīng)用 民用工程中的結(jié)構(gòu)檢測(cè)是光纖光柵傳感器應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域。此后，各國(guó)的研究人員對(duì)這類(lèi)光柵傳感器在工程中各方面的應(yīng)用做了大量的研究工作。 （ 3） 石油化工業(yè)的應(yīng)用 石油化工業(yè)是屬于易燃易爆的危險(xiǎn)領(lǐng)域，在儲(chǔ)罐、油管、油井等地方應(yīng)用電類(lèi)傳感器存在很大的不安全性。 （ 4） 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 光纖 光柵傳感器也被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如運(yùn)用光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)測(cè)量人體組織局部溫度的變化，從而得到病變組織的變化情況，此應(yīng)用是由 Rao Y 等人報(bào)道的； Tamagawa K 等人報(bào)道的運(yùn)用光纖光柵呼吸監(jiān)視系統(tǒng)可以有效改善病人電致人工呼吸的效果。 （ 3） MATLAB 仿真 基于本文設(shè)計(jì)的可調(diào)諧 FP 濾波法， 通過(guò)對(duì)其 22， 33 耦合器的輸出進(jìn)行程序仿真，得到了解調(diào)結(jié)果。在光纖光柵中，引起有效折射率 effn 變化的最主要因素是熱光效應(yīng)和彈光效應(yīng)，而引起光柵周期 ? 變化的最主要因素則是外加的應(yīng)力和熱膨脹效應(yīng)。波導(dǎo)相當(dāng)于一個(gè)調(diào)制光場(chǎng)，可對(duì)進(jìn)入該波導(dǎo)區(qū)域的光波產(chǎn)生擾動(dòng)，使之產(chǎn)生耦合，形成另一種形式的光波。折射率變化時(shí)，會(huì)引起微擾，此時(shí)，第 j 個(gè)模式的振幅 jA 和 jB 沿 z 方向的演變規(guī)律如下所示： ? ? ? ? ? ? ? ?e x p e x pj T z T Lk k j k j k j k k j k j k jkkdA i A C C i z i B C C i zdz ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ???(23) ? ? ? ? ? ? ? ?e x p e x pj T z T Lk k j k j k j k k j k j k jdB i A C C i z i B C C i zdz ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?(24) 上述二式中第 j 模和第 k 模間的橫向耦合系數(shù) TkjC 表示為： ? ? ? ? ? ? ? ?200 , , , ,4 aT T Tk j j jC z x y z e x y e x y x d y d x?? ? ?? ? ??? (25) 其中 ? ?,x y z?? 表示介電常數(shù)的微擾，且當(dāng) n? n 時(shí)， ? ?,x y z?? ≈ 2nn? ，橫向耦合系數(shù) zkjC 與縱向耦合系數(shù) TkjC 的形式類(lèi)似，一般有zkjC TkjC ， 所 以可以忽略 zkjC 。 式 (25)形式復(fù)雜，現(xiàn)定義兩個(gè)新的參數(shù) ??kj z? 和 ??kjkz ，目的是明確物理含義以便于分析，參數(shù)分別如下： ? ? ? ? ? ?200 ,2 a TTc or e c or ek j j jnz n e x y e x y x dy dx???? ????? (27) ? ? ? ?2kj kjk z z? ?? (28) 第 2章 光纖光柵的傳感原理 9 于是， 式 (25)寫(xiě)為： ? ? ? ? ? ? ? ?22 c ostk j k j k jC z z k z z z??? ??? ? ?????? (29) 式中 ??kj z? 表示自耦合系數(shù)，為未調(diào)制項(xiàng)，用來(lái)反映同類(lèi)模間的相互轉(zhuǎn)換，即光纖中的模式在各個(gè)周期內(nèi)平均的耦合效應(yīng)； ??kjkz表示交叉耦合系數(shù)，為調(diào)制項(xiàng)，用來(lái)反映不同類(lèi)模間的相互 轉(zhuǎn)換，即光纖中的模式在各個(gè)周期內(nèi)偏離平均耦合效應(yīng)的程度。對(duì)于均勻周期布拉格光纖光柵來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)化為： 2 effn????? (214) effsn?? ? ????? (215) 式中 effn? 是常數(shù)， 0ddz?? ，所以 ? 、 ? 和 ? 也是常數(shù)，這樣 (210)式就燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 簡(jiǎn)化為一階常系數(shù)微分方程，當(dāng)有合適的邊界條件時(shí)，就可以得到它們的解。每一小段的均勻周期光纖光柵的矩陣相乘，便可得到各種光纖光柵的傳輸特性。假設(shè)光纖光柵的折射率分布由 ??fx來(lái)描述，則 光柵 周期 ? ?eff= 2nB?? 的傅立葉分量 表示 為： ? ? ? ? ? ?221 1 2 1e x p e x p22 e ffe ff e ffnxxF f x j d x f x j d xnn???? ??????? ? ? ? ????? ? ?? ? ? ?????? ? ? ??? ??????（ 228） 令 2 effy n x? ，則上式可以寫(xiě)為 1 1 2 1 2e x p e x p2 2 2 2e ff e ff e ff e ffy y x xF f j d y f j d xn n n n?? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?（ 229） 同理，函數(shù) ? ?2 efff x n 的傅立葉變換 寫(xiě) 為： 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 1 1 2 1e x p2 e ffxxf F j dn ?? ? ??? ? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??? ? （ 230） 1 12e xp2 e ffxxF f j dxn ????? ??? ? ? ?????? ? ? ???? ? ? ?????? （ 231） 可得下式： 11 1 12 effFFn ?? ? ? ??? ? ? ??? ? ? ? （ 232） 所以，只要求出函數(shù) ? ?2efff x n的傅立葉變化，就可以得到折射率分布函數(shù)為 ??fx的光纖光柵反射譜。為方便研究， 忽略應(yīng)力和溫度的交叉敏感，只 考慮在 受到 單一應(yīng)力或是溫度作用下的傳感特性。 FBG 的軸向應(yīng)變 ? 引起的光柵周期的變化 為 ： z?????? （ 234） 在恒定溫度下 ， 有效折射率的變化可以由彈光系數(shù)矩陣 ijP 和應(yīng)變張量矩陣 j? 表示： ? ? 62 11 eff ij ji jnP????? ? ?1,2,3i? （ 235） 第 2章 光纖光柵的傳感原理 13 其 中： ? ?1,2,3i? 分別表示 x， y ， z 方向。 在 摻鍺石英光纖 中 ， 10 /O C? ??? 由光效應(yīng)引起的有效折射率變化為： eff effn n T?? ? ? ?? （ 245） 式中 ? 為光纖材料熱光系數(shù)。光纖光柵傳感信號(hào)的解調(diào)方案包括相位解調(diào)、頻率解調(diào) 和波長(zhǎng)解調(diào)等。因此選擇波長(zhǎng)解調(diào)方式進(jìn)行解調(diào)。光譜儀檢測(cè)法是最基本的測(cè)量方法， 其 優(yōu)點(diǎn) 在于 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適宜 在 實(shí)驗(yàn)室 中 使用。 兩束出射光 經(jīng) 過(guò)光電探測(cè)器后變成 了 電信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理 后 消除了光功率變化所帶來(lái)的影響，經(jīng)過(guò)濾波器后的電信號(hào)與參考第 3章 光纖光柵振動(dòng)解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 17 電信號(hào)的比值與波長(zhǎng)偏移成比例關(guān)系，由此可以得到波長(zhǎng)的變化情況。 工作原理： FBG1 為 傳感光柵，可調(diào)諧的 FBG2 為 匹配光柵，在 相同溫度和應(yīng)變 的情況下，兩者的光纖 光柵 波長(zhǎng)是完 全相同的， 此時(shí) 系統(tǒng)輸出信號(hào)幅度最高。 非 平衡 MachZehnder 干涉法 寬 帶 光 源 3 d B 耦 合 器相 位 補(bǔ) 償 反 饋P D P D相 位 解 調(diào) 微 處 理 器非 平 衡 M Z 干 涉 儀F B G 1F B G 2 F B G n3 d B 耦 合 器 圖 34 非平衡 MachZehnder 干涉法 基本 解調(diào) 原理：寬 帶 光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò) 3dB 耦合器后 進(jìn)入 傳感光纖光柵， 被光纖光柵反射回來(lái) 的光再次進(jìn)入耦合器，其輸出光作為有效輸入光進(jìn)入非平衡 MachZehnder 干涉儀，通過(guò)檢測(cè)干涉儀的輸出光強(qiáng)就可以實(shí)現(xiàn)解調(diào)目的，得到光柵的波長(zhǎng)值。缺點(diǎn)是掃描頻率不高，不太適合 于 高速率的動(dòng)態(tài)傳感系統(tǒng)。 光纖光柵 振動(dòng) 解調(diào)系統(tǒng) 寬 帶 光 源3 d B 耦 合器可 調(diào) F P 腔P D 檢 測(cè) 放 大電 路控 制 電 路 采 樣 與 開(kāi) 關(guān) 量 板 信 號(hào) 處 理 電 路信 號(hào) 發(fā) 生 器 計(jì) 算 機(jī) 2 2 耦 合 器 3 3 耦 合 器 F B G 1 F B G 2 振 動(dòng) 臺(tái) 1振 動(dòng) 臺(tái) 2 圖 36 光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)原理圖 工作原理： 從寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)隔離器和耦合器后，傳送到 FBG 傳感器， 只有滿(mǎn)足相干條件的某些特定波長(zhǎng)的光 才能 被 FBG 傳感器反射回來(lái)，隨著振動(dòng)臺(tái) 1 或 2 的振動(dòng)，會(huì)造成反射中心波長(zhǎng)的漂移，反射光 經(jīng)過(guò)一個(gè)3dB 耦合器 進(jìn) 入到可調(diào)諧 FP 腔中 ， 通過(guò)不斷改變對(duì) FP 腔施加的電壓來(lái)改變 FP 腔的腔長(zhǎng)， 進(jìn)而改變 FP 腔的輸出波長(zhǎng)， 輸出的光經(jīng)過(guò) 2*2 3*3 耦合器后 轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào) 到達(dá) 檢 測(cè)器， 通過(guò)對(duì)電信號(hào)的測(cè)量可 間接 得到波長(zhǎng)的漂第 3章 光纖光柵振動(dòng)解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 21 移量 [6]。該解調(diào)系統(tǒng)由一個(gè) 22 耦合器（耦合比為 1：1）和一個(gè) 33 耦合器（耦合比為 1： 1： 1）通過(guò)兩段長(zhǎng)度差為 ΔL 的光纖連接構(gòu)成 [7]。 光路設(shè)計(jì) 在光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)中，如果我們所選用的光學(xué)器件或設(shè)備合理的話(huà)，傳感光信號(hào)在傳輸過(guò)程中所受到的干擾也會(huì)減小 ， 從而使接收端的光信號(hào)能夠真實(shí)地反映出傳感光柵處所待測(cè)環(huán)境