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引 言

光纤Bragg光栅(FBG)传感器是以FBG作为敏感元件的功能型光纤传感器,有广泛的应用领域。当该传感器受温度、应变等外界参量的作用时,Bragg波长会发生相应的漂移,因此,研究FBG传感器的关键问题是如何精确测量FBG反射波长漂移量。传统上一般应用光谱仪解调系统,它体积大、不易携带、不利于现场使用。近年来出现的微型光谱仪体积小、价格便宜,但其光谱分辨力只在0.1 nm数量级,远远达不到FBG解调需要的pm级的分辨力。

为了提高Bragg波长漂移量的测量精度,提出了基于F-P可调谐滤波器和波长基准器,采用插值-相关谱法的处理技术,即,首先在原始光谱中每相邻两点间线性插入一些点,再利用相关谱法得到Bragg波长漂移量。该方法不但可以有效抑制噪声,而且,能精确地测量Bragg波长漂移量,从而实现高精度地测量温度、应变等外界参量。

1、FBG传感器原理

根据Bragg衍射原理,当宽带光源发出的光入射到FBG中去,FBG将把以Bragg波长为中心的窄带光谱范围内的光反射回来。Bragg波长λB由FBG的栅距A和有效折射率neff决定

因此,FBG可以被看作窄带滤波器,滤波器的中心波长就是Bragg波长。当FBG受到应变、温度等因素使FBG的栅距以或有效折射率neff产生变化时,被FBG反射的Bragg波长λB亦产生相应变化。由式(1)的微分得知,其Bragg波长的偏移量为

从而实现了待测量对反射信号光的波长编码调制。因此,通过实时监测反射波长的偏移量,再根据△nff,△Λ与待测量之间的线性关系,即可获得待测物理量的变化。

2、插值-相关谱法原理

相关谱法基于以下特征:在很多FBG传感系统中,FBG光谱只有光功率的起伏以及光谱的总体漂移,光谱的形状总是保持不变,类似于高斯分布。这个特性预示着一种可能性,即Bragg波长的漂移可以通过比较原始频谱和漂移后频谱的相似性来获得。这种相似性可以用互相关函数来表示。以下先给出频谱相关法的理论分析。