基于fabry-pero與光纖bragg光柵串聯(lián)復(fù)用結(jié)構(gòu)的雙參數(shù)解調(diào)方法

1溫度測量的光纖復(fù)合化非本征纖維氟脲（f-p）的干燥槽和纖維bragg光刻（fbg）的光纖傳感器被認(rèn)為是最具前景的光纖傳感器。光纖F-P傳感器得益于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu),具有溫度-壓力交叉敏感性,高精度和可靠性以及可以直接感知環(huán)境壓強(qiáng)變化,已被成功的應(yīng)用于高溫油井下的壓強(qiáng)測量。由于FBG用于300℃油井溫度測量不需要任何增敏措施,具有最簡單的結(jié)構(gòu),并且與光纖F-P腔串聯(lián)復(fù)用不僅能夠在不額外增加光纖的情況下提供同一測點(diǎn)的溫度信息,同時還可以對壓力傳感器進(jìn)行高精度溫度補(bǔ)償。光纖F-P腔壓力傳感器與FBG溫度傳感器串聯(lián)后得到的光譜信號是F-P腔干涉光譜與FBG反射光譜的疊加,如何從疊加的光譜信號中分離出各自的光譜數(shù)據(jù),從而互不相關(guān)的分別解調(diào)出溫度和壓強(qiáng)信號,直接關(guān)系到光纖壓力-溫度傳感器系統(tǒng)的測量精度。本文從理論上給出了F-P腔與FBG串聯(lián)復(fù)用光譜的解析表示,提出了一種高精度解復(fù)用即F-P腔長(壓強(qiáng))和FBG反射波長(溫度)同時測量方法,并通過實(shí)驗(yàn)對該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。2fbg溫度傳感器FBG與F-P腔串聯(lián)復(fù)用的結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)光源發(fā)出的寬譜光Iin從光纖左端入射,首先經(jīng)過FBG溫度傳感器,位于Bragg反射波長附近的一部分光I1被反射,其余部分透射光I2入射到F-P腔傳感器,其反射光譜為一低反襯度的F-P腔干涉光譜I3,I3再次通過FBG傳感器,其透射部分I4與之前的FBG傳感器反射光I1相疊加形成最終的返回光譜Iout。具體的數(shù)學(xué)表達(dá)為1bragg反射波值反射率b即將FBG的反射譜用高斯分布表示。式中:R為光柵峰值反射率;λB為Bragg反射中心波長;c值的大小用于表征反射峰的寬度;其半高寬(FWHM)w與c值的關(guān)系為w=2ln2???√c(2)w=2ln2c(2)2i2寬度表示為i2寬度I2=Iin-I1=Iin(1-fFBG)(3)32透射光i2進(jìn)入f-p腔傳感器，并被反射，形成干涉條紋ii式中:r為光纖端面反射率;G為F-P腔的腔長;λ為光波長。4i4是通過gps傳感器再次產(chǎn)生的5fbg中心波長位置模擬由式(6)可見,由傳感器返回的光譜并不是FBG傳感器與F-P腔傳感器各自反射光譜的簡單疊加。此時,若直接采集光譜信號中的FBG反射峰值波長作為FBG傳感器的溫度解調(diào)信號將導(dǎo)致結(jié)果發(fā)生偏差影響溫度測量精度。為了得到精確的FBG反射光譜信號,將式(6)展開為關(guān)于fFBG的一元二次方程解這個方程,可得到精確的FBG反射光譜,進(jìn)而通過對解出的光譜峰值部分進(jìn)行高斯擬合,求解最出中心位置,即可解出FBG的中心波長。式(7)中Iout和Iin是可直接測量得到的光譜分布數(shù)據(jù),fF-P則可以通過F-P腔反射光譜的交叉相關(guān)解調(diào)算法得到。消除FBG對F-P腔解調(diào)的影響只需找到FBG的粗略峰值位置,將FBG峰值部分光譜數(shù)據(jù)從光譜中扣除。由于FBG光譜寬度遠(yuǎn)小于寬譜光源寬度,而交叉相關(guān)計(jì)算對于小范圍光譜數(shù)據(jù)的缺失不敏感,因而不影響F-P腔解調(diào)結(jié)果的精度。將相關(guān)解調(diào)計(jì)算得到的fF-P帶入式(7),得到方程的解為fFBG=?(1?2fF?P)+(1?2fF?P)2?4fF?P(fF?P?Iout/Iin)√2fF?P(8)fFBG=-(1-2fF-Ρ)+(1-2fF-Ρ)2-4fF-Ρ(fF-Ρ-Ιout/Ιin)2fF-Ρ(8)在實(shí)際解調(diào)過程中,可以取測量得到的原始FBG光譜峰值附近一定范圍的光譜數(shù)據(jù)做上述運(yùn)算,得到分離后FBG的新光譜并進(jìn)行高斯擬合,即可得到精確的FBG的中心波長位置。首先利用式(6)對傳感器返回光譜進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)實(shí)際傳感器系統(tǒng)使用的寬譜掃描激光光源光譜特性,設(shè)定在掃描波長范圍為1510～1590nm間的激光輸出功率為1mW,FBG中心波長為1550nm、反射率R為47%和半高寬w為0.16nm,光纖端面反射率r為4%。模擬傳感器返回光譜如圖2所示。為了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果作比較,固定F-P腔的初始腔長為179905.5nm不變,改變FBG中心波長位置從1544.4nm到1547.6nm,對刪除FBG峰值前后的模擬光譜進(jìn)行F-P腔長解調(diào),結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出,如果不從原始光譜中刪除FBG峰值譜,FBG峰的存在將導(dǎo)致F-P腔長解調(diào)值偏離模擬設(shè)定值,并且偏離程度隨著FBG峰值波長改變在正負(fù)3.5nm間變化。當(dāng)從原始光譜中刪除掉FBG峰值譜時,解調(diào)結(jié)果如圖中虛線所示,F-P腔長解調(diào)值很好地與設(shè)定的原始腔長吻合。從而證明,只要從原始光譜中刪除FBG的峰值光譜數(shù)據(jù),即可以保證F-P腔長解調(diào)的準(zhǔn)確性。同樣為了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果作比較,固定FBG中心波長位置1544.056nm不變,改變F-P腔傳感器的腔長G從179800nm逐步增大到180600nm,同時用兩種方法解調(diào)FBG峰值波長,結(jié)果如圖4所示。雖然設(shè)定FBG中心波長始終保持在1544.056nm沒有改變,但是隨著F-P腔長值的改變,FBG中心波長的解調(diào)值也受其影響,在1544.055～1544.057nm間產(chǎn)生了類似于正弦函數(shù)形式的波動,如圖4中虛線部分而利用式(8)對FBG峰值附近光譜進(jìn)行處理,再對其進(jìn)行高斯擬合,取中心位置波長得到的結(jié)果則明顯克服了F-P腔長改變對FBG解調(diào)的影響,得到了與設(shè)定中心波長1544.056nm相符的解調(diào)結(jié)果,如圖4中實(shí)線部分。從而證明,該解調(diào)計(jì)算方法理論上是精確的。3fbg光譜對f-p解調(diào)值的影響為檢驗(yàn)理論分析的結(jié)果,構(gòu)建了如圖5所示的傳感測量系統(tǒng)。其中光源和光譜測量設(shè)備采用的是MOI公司生產(chǎn)的掃描激光波長查詢儀(si720),掃描波長范圍為1510～1590nm,波長分辨率為0.25pm。波長查詢儀發(fā)出的激光,經(jīng)過FBG與F-P傳感器反射后,攜帶FBG與F-P腔的光譜信息返回查詢儀。為控制FBG傳感器的溫度,將FBG置于恒溫控制箱內(nèi)。F-P腔傳感器則用環(huán)氧樹脂固定在懸臂梁的末端,可以通過對懸臂梁施加壓力使懸臂梁發(fā)生形變改變F-P的腔長。首先設(shè)定恒溫箱溫度從22℃逐漸升溫至276℃,過程中保持懸臂梁為自由狀態(tài)不受力。對比直接解調(diào)F-P腔長結(jié)果與刪除FBG光譜后再解調(diào)F-P腔長結(jié)果,如圖6所示。實(shí)驗(yàn)中,由于懸臂梁處于自由狀態(tài),F-P腔長保持一恒定值。圖6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用新方法后FBG光譜對F-P解調(diào)結(jié)果的影響被完全消除。數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明,在FBG波長變化約3nm(相當(dāng)于溫度變化254℃)的情況下,沒有觀測到對F-P腔長解調(diào)值的影響,F-P腔長解調(diào)的最大離散度由3.5nm提高到了0.2nm。對比理論模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),FBG光譜對F-P解調(diào)的影響與理論預(yù)期基本相符,從而證明了該方法可以有效提高FBG與F-P串聯(lián)復(fù)用時F-P的解調(diào)精度。為檢驗(yàn)F-P腔長變化對溫度測量的影響,設(shè)定恒溫箱初始溫度為22℃,待溫度穩(wěn)定后,對懸臂梁緩慢施加壓力,使F-P腔長逐漸改變。對比直接尋峰測量FBG峰值的結(jié)果與光譜經(jīng)過修正后的計(jì)算出的FBG波長的結(jié)果,如圖7所示。通過圖(7)中2個解調(diào)結(jié)果的對比可以看出,采用式(8)對FBG光譜和F-P腔的干涉譜進(jìn)行分離后,FBG反射波長峰值位置的解調(diào)結(jié)果受F-P腔長改變的影響基本被消除,10min溫度恒定期間的溫度測量結(jié)果顯示,在F-P腔長范圍改變大于1個模(775nm)的情況下,已觀測不到FBG的波長解調(diào)受到的影響,FBG解調(diào)值最大離散由1.4pm提高到了0.7pm,相當(dāng)于溫度測量最大離散小于0.06℃。圖7中,測量數(shù)據(jù)的較大波動是由于恒溫箱中氣流對光柵的擾動造成的?？梢?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果很好符合,實(shí)現(xiàn)了FBG與F-P腔傳感器串聯(lián)復(fù)用的高精度解調(diào)。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析FBG與F-P腔串聯(lián)復(fù)用型光纖傳感器得益于其溫度、壓腔同時測量并可對溫壓交叉敏感進(jìn)行自補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn),使其極為適于高溫、高壓油