设计开发
基于F-P滤波器的光纤光栅解调系统设计
张佳曹桂芳杨莹周晓旭
(山西省交通科学研究院信息机电技术研究所山西太原030006)
数字执本与成用
摘要：本文基于F-P滤波器搭建了一个光纤究期传感解调系就，系统采用高斯多项式拟合算法进行中心波长的寻峰。通过对置于同一恒温箱中两个高精度温度光纤光栅传感器的解调实验研究表明系统稳定性较高,分辨率可以达0.1pml。高斯多项式拟合算法可以准确找到中心波长住置,波长稳定性在±0.1pm以内,测温精度可达±0.2℃,整个系统可以满足工程要求。
关键词:F-P滤波器高斯多项式拟合解调
中图分类号：TN253
文献标识码：A
自1989年Morey首次使用光纤光栅进行应变和温度传感以来，光纤光栅的传感应用引起了世界范围内的高度重视，并且取得了长足的进步。光纤光概传感器与传统的机械或者电子传感器相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰强，质量轻、耐腐蚀，电绝缘性能好等优点，因此其在石油工业、桥隧结构、航空航天、电力等领域得到了广泛的应用。i-传统的FBG传感器常采用高斯切趾的均匀光纤光栅，其反射谱近似为高斯型，固此本文设计了一种基于可调谐F-P滤波器的光纤光栅解调系统，系统采用高斯多项式拟合算法进行反射谱的寻峰，进而确定光概传感器的中心波长。本文通过将两个高精度温度光纤光栅传感器置于同一恒温箱的解调实验来研究光纤光栅解调
系统的精度、稳定性以及高斯多项式拟合的准确度。 1高斯多项式拟合
高斯多项式拟合算法就是对采集的数据进行高斯多项式变换，采用一般多项式拟合法进行曲线拟合来确定峰值位置。
光纤光栅的反射光功率密度谱曲线用高斯函数近似表示为： I(a) = I exp[-4ln2()]
(1)
式中，为反射谱强度的幅值，入为光栅的布拉格波长，入为反射谱的3dB带宽。
对式(1)两边分别取对数，得
mla+8lag
22-4元
In1()= -(4ln
A
会，
则式(1)变为
P() = a + a,+ a,^2
(2)
式(2)为典型的二次多项式拟合形式，按照最小二乘法，式(2)的
表1不同时间段解调波长和温度值
时间 1 2
6 12 22 32 42 52 62 72
没欧快服器
改长 1536.0188 1350.01/8 1530.0177 1536.0168 1536.0180 1536.0186 1536.0479 1536.0166 1536.0169 1536.0184 1536 8186 1536 0178 1536.0175 1536.0168
收稿日期：20151225
温度代 160rs 25.008 24.997 24.903 25.028 25.091 24.976 24.882 24.910 25.070 25.091 25. 007 24.976 24.903
温度他服器）
改长 1555.2660 1533.2834 1555.2660 1555.2654 155.2650 1555.2656 1555.2663 1555.2661 1555.2655 1555.2646 1555.2651 1555.2654 1555.2658 1555.2653
温度代 25.022 24.W8 25.022 24.998 24.981 25.000 25.034 25.026 25.002 24.965 24 086 24 098 25.014 24.994
★基金项日：山西省交通适输厅科技计划项目，课题编号：2015-1-25
文章编号：1007-9416(2016)03-0182-0)
偏差平方和S为
=P())2
(3)
当S取最小时，可计算出光纤光栅反射谱对应的中心波长为
2g=a/22
2光纤光栅解调系统设计
(4)
宽带光源发出的人射光经过光隔离器和耦合器进人光栅阵列。当人射光遇到光纤光栅传感器后发生反射，反射光依次进人可调谱窄带光纤F-P滤波器。ARM控制D/A输出锯齿形波扫描电压来控制压电陶瓷，进一步改变F-P腔的腔长来进行波长解调。由于F-P滤波器的导通频带很窄，当F-P的导通中心波长与某一光纤光栅的反射光谱相等时，有且仅有一个反射光会通过F-P滤波器进人光电转化器，因此多个不同中心波长的光纤光栅传感器可以在同一扫描周期的不同时刻通过F-P滤波器，进而实现多个光纤光概传感器数据的同时采集。通过F-P滤波器的反射光进人光电转化器转化为电信号，再经过A/D转化为数字信号供ARM处理。最终数字信号经 ARM内置的高斯多项式拟合算法被解调出不同光纤光栅传感器的波长。
系统采用放大自辐射光源ASE作为宽带光源，波长范图为 1527~1568nm，输出功率小于50mW，功率稳定性0.1dB。F-P可调谱滤波器滤波器选用FFP-TF2型，采用高精度的16bitD/A来控制
F-P滤波器的扫描范围和步长，波长扫描精度为0.07pm。 3实验验证分析
将两只不同中心波长的高精度温度光纤光栅传感器接人光纤光栅解调系统，并将这两只传感器置于同一恒温箱内进行温度测试实验，恒温箱湿度为25C。实验持续进行3天，不同时间段的解调波长和对应温度值如表1所示。
从表1可以看出，光纤光栅解调系统稳定性较好，分辨率可以到达0.1pm，解调波长稳定在±Ipm范围以内，测温精度可达±0.2℃。波长的稳定性以及测温的准确度也充分说明了高斯多项式拟合可以准确的寻找到反射峰的位置，方法简单，误差较小，稳定性较好。 4结语
本文措建的基于F-P滤波器的光纤光栅解调系统稳定性较好，分辨率可以达到0.1pm。本系统采用的高斯多项式拟合算法可以准确的寻找到波峰位置，误差小、稳定性强，因此，该系统非常适合于
电力、交通、石化等行业关于湿度、应变等物理量的监测。参考文献
[1]余有龙.王雪微王浩.不同采样方式下光纤布喇格光栅反射谱寻峰算法的分析[J].光子学报.2012,11(41):1274-1277.
[2]来梅.张森，胡立章，等.光纤市拉格光栅中心波长检测中的导峰算法[3].光通临研究.2011,5:60-63.
作者简介：张佳鹏(1988一),男，山西太原人,助理工程师，工学项士，主要从事嵌入式系统开发,面向智能交通行业， 182