基于F-P滤波器的光纤光栅解调系统的优化设计

赵亚丽

（承德石油高等专科学校，河北承德，067000；2.河北省仪器仪表工程技术研究中心，河北承德，067000）

基于F-P滤波器的光纤光栅解调系统的优化设计

赵亚丽1,2

（承德石油高等专科学校，河北承德，067000；2.河北省仪器仪表工程技术研究中心，河北承德，067000）

为了提高基于法布里-珀罗(Fabry-Perot ，F-P)滤波器的光纤光栅波长解调系统的性能，提出了一种采用新型光纤梳状滤波器作为参考波长装置的解调方案。新型光纤梳状滤波器由两个啁啾光栅和一个光耦合器组成，与传统的参考光栅相比可以为解调系统提供更多的参考点。优化后的解调系统重复性好，运行更稳定、精确。

光纤光栅；光纤梳状滤波器；波长解调；F-P滤波器

0 引言

光纤光栅是一种新型的无源器件，能实现对应变、温度等多种外界物理量的测量，具有传感器灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、可遥测、体积小、可埋入工程材料及进行分布式测量等诸多优点[1]，因此，近年来在光纤传感领域得到了广泛的关注，成为传感领域的又一研究热点，并获得了极大的发展。光纤光栅传感系统的解调是关乎光纤光栅传感器应用的重要组成部分，近年来发展也很快。

本文分析了基于F-P滤波法光纤光栅解调技术的原理，并在此基础上对其波长标定装置进行研究改进，以期提高整个解调系统的性能。

1 可调谐F-P滤波法解调原理

可调谐F-P滤波解调法的工作原理是通过改变加在F-P腔上的电压来调节滤波器的腔长，从而达到对传感光栅进行波长扫描的目的。当F-P滤波器的的透射波长光纤光栅的反射波长重合时，光电探测器探测到的光强最大，再根据F-P腔的波长和扫描电压的关系对所得数据进行拟合运算，就可以得到传感光栅的被测中心波长[3]。

一般情况下，认为透射波长与加在滤波器上的电压成线性关系，但法布里-珀罗滤波器的电压响应并不是线性的，而且滤波器的线性度也受到温度等环境因素的影响，导致加在滤波器上的电压与光纤光栅的波长之间不能实现真正的线性关系。在实际测量过程中F-P滤波器的腔长漂移和驱动元件的非线性以及PZT的迟滞效应都会影响测量结果的精确度[4]。一般来说解决这种非线性问题的方法是使用一个波长分布已知的，带标记且不受温度影响的参考光栅标准具模块来补偿滤波器光谱的非线性和漂移的影响。但这种方式受参考光栅数量的限制，为此我们提出利用新型光纤光栅梳状滤波器优化FBG解调系统来提高解调精度。

2 系统优化设计

2.1 新型光纤梳状滤波器

新型光纤梳状滤波器主要由单模光纤、光纤耦合器以及两个相同的啁啾光栅构成，其结构如图1所示。光从端口1进入滤波器，从端口2输出。两个啁啾光栅分别连在耦合器的两端与耦合器之间的臂长分别为L1、L2。这种结构的梳状滤波器相当于一个迈克尔干涉仪，啁啾光栅的反射谱经余弦调制后从端口2的输出。当两臂长L1和L2相等时，梳状滤波器的输出光谱为啁啾光栅的反射谱；当两臂长不相等时，则滤波器的输出为啁啾光栅反射谱内的多个干涉峰结构[5]。

图1 新型滤波器的结构

这种滤波器具有较低的插入损耗和较大的工作带宽，而且还可以通过改变L1和L2的两臂长差来改变通带间隔从而提高梳状滤波器的性能。将这种梳状滤波器用于解调系统时，一个最大的优点就是当信号改变时，不需要重新设计光栅，只需要先在恒温状态下，先标定光纤梳状滤波器的波长，再将其作为解调系统的参考波长，然后再通过各种数学拟合运算，即可得到传感光栅的被测中心波长。

2.2 优化解调系统设计

图2 解调系统框图

优化后的基于F-P滤波器的光纤光栅解调系统如图2所示，其工作过程是宽带光源发出的光经3dB耦合器后分别进入传感光栅通道和参考光纤梳状滤波器通道，满足Bragg条件的光被反射，经3dB耦合器进入在一定波长范围内扫描的可调F-P滤波器后进入光电探测器，根据光纤梳状滤波器多个参考点提供的标定波长再通过精确的牛顿差值算法即可得到被测波长。

3 结束语

本文提出了利用新型光纤梳状滤波器来优化可调谐F-P滤波器的光纤光栅解调系统。与传统的参考光栅解调相比，新型梳状滤波器可以提供更多的参考点且不用重复设计和改变光纤光栅，具有低插入损耗、大工作带宽等优点，提高了解调系统的性能。光纤光栅解调系统的发展方向是高速、高精度、低价格且能同时进行动态和静态参量测量。本文提出的光纤光栅解调方案还需要不断改进和完善，以达到更好的解调效果。

[1]华静.波长参考FBG波长解调系统分析与设计[D].中国计量学院,2012:1-3.

[2]赵亚丽,李玉华,张春青.基于 DWDM与MATLAB的光纤光栅压力传感解调系统的研究[J],承德石油高等专科学校学报,2016.12:54-56.

[3]孙金卫,黄俊斌,顾红灿等.基于可调谐F-P滤波解调系统的直接寻峰算法与功率加权寻峰算法，四川兵工学报，2011.32(6):83-85.

[4]胡志新,朱军,张陵等，光纤光栅压力传感器中应力迟滞的消除方法[J],光子学报,2006.35（9）:1329-1332.

[5]李明珠.新型光纤光栅梳状滤波器设计[J],光纤与电缆及其应用技术,2012.2:11-13.

Optimization design of fiber Bragg grating demodulation system based on F-P filter

Zhao Yali1,2
(1.ChengDe Petroleum College,Chengde Hebei,067000 ;2.Instrumentation engineering technology research center of the Hebei province,Chengde Hebei,067000)

A new demodulation system is proposed with a novel fiber comb filter as the reference wavelength to improve the performance of fiber Bragg grating wavelength demodulation system based on F-P filter.The new fiber comb filter consists of two chirped gratings and one optical coupler, which can provide more reference points for the demodulation system.The optimized demodulation system has good repeatability and stable operation.

FBG;fiber comb filter; wavelength demodulation; F-P filter

赵亚丽(1982-)，女，河北保定人，硕士，讲师，主要从事光电检测、光纤传感技术以及实践教学的研究。