光纤光栅链路反射谱强度自适应调解

马义凯　吴湘华

摘要：针对解调器单通道多尺度反射光谱的抗压强度差异太大，导致无法合理寻峰或寻峰偏差扩大的问题，该文明确提出使用具有不同曝光周期时间的多重曝光解调方法。调整最大值，根据光谱仪数据信息的条形图确定寻峰阈值。该文分析了光谱峰峰值对寻峰稳定性的危害，建立了曝光周期时间和寻峰阈值响应性调整标准，完成了响应性寻峰解调优化算法MATLAB手机软件。根据对特定光纤光栅传感器的检测，可以解决大差异反射光谱仪的自动曝光和寻峰解调。在保证寻峰稳定性的情况下，合理提高了频谱峰值识别的总数和解调系统的软件自适应性，工作中的力量和稳定性。根据实验发现，光谱峰峰值在光强饱和值的70%～90%范围内最稳定，核心光波长的标准差峰值搜索得到的在0.5pm以内，比一次性曝光解调更稳定50%，程序执行时间在100ms以内，可完成快速解调。

关键词：光纤传感;光谱强度;曝光周期;寻峰阈值;自适应解调算法

中图分类号：TP391   文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）08-0109-03

1 引言

光纤华沙光栅尺（FBG）传感器是近年来发展迅速的一种型传感器技术，因为它具有抗干扰数据信号、线性传感器等优点，有利于重复使用的网络解决方案。光纤光栅利用光纤原材料的光敏性（如外部入射角与纤芯内锗正离子相互作用引起的折射率自然变化）在纤芯内生成室内空间相位差光栅尺。在内部创建一个灵活的（电子散射或反射表面）过滤器或镜子。利用这一特性，可以形成许多具有鲜明特点的光纤光电器件。此外，光纤本身还具有低耗传输、抗干扰信号、重量轻、直径细、柔韧、有机化学稳定性和绝缘等优点。在光纤通信、光纤传感器、光信息资源管理等行业具有广阔的应用前景。近年来，以光纤光栅作为外部光反馈元件组成的光纤光栅外腔半导体激光器，除了具有一般外腔半导体激光器的优点外，还具有更强的光波长可控性。光纤通信（尤其是波分复用系统的软件）的进步可以很好地实现快速和大空间。因此，光纤光栅近年来引起了众多专家教授的关注。具有很大的实用价值[1-2]，为高速公路、公路桥梁、大坝、建筑专业、供配电系统等不同地理环境健康监测等大、中、小型建设项目提供技术解决方案[3-5]。近年来，在多测点、多测量主要参数的应用中，以其串联连接、加工速度快、体积小、质量轻等突出优势受到航空航天检测应用的青睐[6]。为了能够更好地实时监测航天器建造系统的安全性能和可靠性，NASA的科研设计了一种结构健康和医疗技术，金属材料传感器是其首选技术。他们使用 FBG 对无人机机翼进行变形测量检查。机翼表面粘贴金属材料，采用2000应变力测力计组件及时识别和测量机翼热应力，已得到很好的应用[7]。

FBG传感器大数据技术在健康监测系统软件基础建设中必须进行长期的信息内容检查，不可避免地要防止因工作温度、相对湿度、化学腐蚀等外部原因造成的损坏[8-10]。在恒定负载和形貌腐蚀的双向作用下，FBG 传感器板会经历不同程度的特性退化[11]。 FBG特性的劣化会导致不同程度的光谱畸变、光强损失、光谱重叠。原文中的重点科学研究是光强的衰减。光强的衰减使得光纤光栅反射面光谱最高值的抗压强度差异过大，导致无法合理寻峰或寻峰偏差扩大，危及检测精度检测系统稳定性和处理速度。在一般工程项目中，以上问题都会根据光源的维护或感应路线来处理。因此，需要一种响应式解调技术来解决这个问题。

2 FBG反射谱自适应解调算法分析

耦合模式理论是一种基于弱耦合的微扰理论，包括串联谐振系统软件的时间模式耦合和传输系统软件的室内空间模式耦合。两种传输模式之间的耦合属于室内空间模式耦合。作为基本理论，耦合模式理论通常用于分析在光波导结构中传播的导模之间的相互作用。

2.1 基于CCD线阵光电探测器的光纤光栅解调仪原理

对于光纤光栅传感信号解调的核心工作，是依据对光纤光栅不同的中心波长返回值进行读取和变换，进而得到外界信息的变化量[13]。文中采用的解调仪是基于多级衍射光栅及线阵红外CCD原理，光路采用透射光栅色散原理[14]。由宽带光源（ASE）入射的光经FBG反射后，带有传感信息的反射光经准直透镜后，由衍射光栅进行二级色散处理，完成频域—空间域的信息映射，最终聚焦于CCD线阵光电探测器上，生成电信号。

CCD线阵光电探测器包含256个线性排列的光电二极管。每个光电二极管都有各自的积分电路，此电路统称为像素。经过线阵光电探测器的采集处理，得到的是FBG反射谱的光强信息，光强仅代表积分电路电压的一个数字量，电压经过16位的AD转换器转换为数字量，并无实际单位，并且与线阵探测器的像素点一一对应。每个像素所采集的光强和曝光周期有关，曝光周期指的是积分电路的时钟周期个数，一个时钟周期为100 ms，曝光周期与时钟周期的乘积为积分时间，积分时间越长，电压越大，对应的光强也越大。通过改变曝光周期，可以改变每个像素点光强大小。

2.2 FBG反射光谱中心波长定位原理

FBG反射光谱包含CCD线阵探测器256个像素点的光强信息，通过设置寻峰阈值将FBG反射光谱分段，即可对阈值以上的离散数据点进行拟合作寻峰处理，计算反射光谱谱峰的中心波长。

2.3 曝光周期、寻峰阈值自适应调整方法

传统的光谱解调方法是输入不同的曝光周期和寻峰阈值观察光谱的变化，使光谱既不出现过饱和，又能尽可能地识别出较低的谱峰，同时还要保证寻峰的稳定性。但在多光栅反射谱谱峰强度不一致的情况下，很难同时符合上述要求。自适应解调算法通过自动调整曝光周期和寻峰阈值，在最大限度内增加有效寻峰的个数，保证寻峰的稳定性。

（1）自适应调整曝光周期的方法

原文中明确提出选择不同曝光周期时间的多种曝光解调方法。每次曝光解调只保存合理寻峰得到的核心光波长，最后將多次曝光解调得到的结果拼凑在一起，形成所有多次曝光的一对。光栅尺反射面光谱的解调结果。

实际优化算法流程为：

Step1：根据光谱仪抗压强度饱和状态值确定最佳峰值间隔，极限为Imax，最小值为Imin。

Step2：为曝光循环时间设置2个初始值，将曝光循环时间较大的初始值设置为较大的值以保证最高点饱和，最小初始值设置为0。

Step3：进行光谱仪的初调。在两个曝光周期时间的已知初始值范围内，用二分法求出使所有光谱仪的最大峰值达到最佳峰值间隔的曝光周期时间，并记录初始调整的全过程，每次曝光周期的时间跃迁值和所有光谱峰的峰值和锐度数，以及达到最佳峰间隔的最后一个峰的光谱峰锐度数。

Step4：根据Step3中记录的所有光谱峰的峰和锐度数，删除初始调整后在最佳峰间隔内的光谱峰的锐度数，得到未达到最佳峰间隔的光谱峰，用锐度数数据库对Step3中记录的峰-曝光周期时间点进行索引，并线性拟合它们的峰-曝光周期时间表达式组。

（2）自适应调整寻峰阈值的方法

由于光谱数据中的噪声点较多，且高低不一，会产生许多小的波峰，所以需要将噪声波峰去除，留下真正的谱峰。寻峰阈值的作用是对光谱数据进行分割，阈值以下为噪声点，阈值以上为信号点，信号点构成真正的谱峰。

3 光纤光栅的传输理论

4 MATLAB的谱分析

实验的基本参数如下：

有效折射率n_eff=1.458，波长区间为1540nm～1560nm，中心波长为1550nm。

（1）在单峰光谱的光栅长度不同的情况下

本模型中的相移光栅由两部分组成，第一部分的长度选择分别为：[L=120×10-6m]、[L=220×10-6m]、[L=320×10-6m]、[L=420×10-6m]。一部分为没有相移时的均匀布拉格光栅，另外一部分为加入相移以后的均匀布拉格光栅。不管是第一部分的长度逐渐增加还是第二部分长度逐渐增加，其结果都是一样的，在中心波长处的反射率逐渐减小，那么就使布拉格光栅的特征波长透射出去了，与此同时，整个光栅的反射窗口在逐渐地向两边移动，由图可以看出，在1549nm和1551nm处的反射率逐渐增大。那么，这就为波长选择器等光器件的研发提供了理论基础。

（2）多峰光谱的峰值分析的情况下

在相移分别为：[π2]、[π]、[3π2]、[2π]。对于相移相位的不现只在于相移矩阵互为相反数，已经开始产生透射窗口，只是在此时第一部分的光栅长度较短，故此透射率并不是很大，此时的透射率仅与光栅长度相关。对于在相移相位为[2π]的情况下，其相移矩阵已经[1，0;0，1]了，与没有加入相位移动时是一致的，故此时与均匀布拉格光栅的反射谱线是一致的，那光栅的特征波长还是在1550处，此波长的反射率最大。

5 结论

本文主要阐述了耦合模式的理论，并利用该方法分析了金属华沙光栅反射面的光谱特性，并从光栅参数的理论分析中得到了相关的危害规律。理论分析表明，随着光纤光栅尺寸和折射率的扩大，光纤光栅的纤芯透过率增大，网络带宽增大，顶部趋于平坦，与具体的精确测量吻合较好结果，基本验证了理论分析的准确性。利用这种规律，可以具体指导您选择合理的参数，制作出符合规定的各种光纤光栅。

对于光纤光栅链路垂直面光谱抗拉强度不一致时的解调，全文明确指出，采用多次曝光解调响应调整曝光周期，采用光谱条形图调整寻峰阈值响应。它不仅完成了低抗拉强度谱峰的识别，而且保证了寻峰的可靠性。

根据科学研究对光谱最大值与透光率关系的实验，发现光谱最大值在透射周期中间存在线性关系y=kxb，谱的最大值不同。在该值的 70%～90%范围内，寻峰稳定性最大。寻峰得到的核心光波长的标准偏差在0.5 pm以内。与一次性曝光解调相比稳定性提高50%，程序执行时间在100ms以内，可完成快速解调。

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【通联编辑：朱宝贵】