基于fabry-pero與光纖bragg光柵串聯復用結構的雙參數解調方法

基于fabry-pero與光纖bragg光柵串聯復用結構的雙參數解調方法

1溫度測量的光纖復合化非本征纖維氟脲（f-p）的干燥槽和纖維bragg光刻（fbg）的光纖傳感器被認為是最具前景的光纖傳感器。光纖F-P傳感器得益于其獨特的結構,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)境壓強變化,已被成功的應用于高溫油井下的壓強測量。由于FBG用于300℃油井溫度測量不需要任何增敏措施,具有最簡單的結構,并且與光纖F-P腔串聯復用不僅能夠在不額外增加光纖的情況下提供同一測點的溫度信息,同時還可以對壓力傳感器進行高精度溫度補償。光纖F-P腔壓力傳感器與FBG溫度傳感器串聯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據,從而互不相關的分別解調出溫度和壓強信號,直接關系到光纖壓力-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串聯復用光譜的解析表示,提出了一種高精度解復用即F-P腔長(壓強)和FBG反射波長(溫度)同時測量方法,并通過實驗對該方法進行了驗證。2fbg溫度傳感器FBG與F-P腔串聯復用的結構如圖1所示。當光源發(fā)出的寬譜光Iin從光纖左端入射,首先經過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。具體的數學表達為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傳感器的溫度解調信號將導致結果發(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,進而通過對解出的光譜峰值部分進行高斯擬合,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據,fF-P則可以通過F-P腔反射光譜的交叉相關解調算法得到。消除FBG對F-P腔解調的影響只需找到FBG的粗略峰值位置,將FBG峰值部分光譜數據從光譜中扣除。由于FBG光譜寬度遠小于寬譜光源寬度,而交叉相關計算對于小范圍光譜數據的缺失不敏感,因而不影響F-P腔解調結果的精度。將相關解調計算得到的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)在實際解調過程中,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據做上述運算,得到分離后FBG的新光譜并進行高斯擬合,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行數值模擬。根據實際傳感器系統(tǒng)使用的寬譜掃描激光光源光譜特性,設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。為了與實驗結果作比較,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行F-P腔長解調,結果如圖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峰的存在將導致F-P腔長解調值偏離模擬設定值,并且偏離程度隨著FBG峰值波長改變在正負3.5nm間變化。當從原始光譜中刪除掉FBG峰值譜時,解調結果如圖中虛線所示,F-P腔長解調值很好地與設定的原始腔長吻合。從而證明,只要從原始光譜中刪除FBG的峰值光譜數據,即可以保證F-P腔長解調的準確性。同樣為了與實驗結果作比較,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FBG峰值波長,結果如圖4所示。雖然設定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中心波長的解調值也受其影響,在1544.055～1544.057nm間產生了類似于正弦函數形式的波動,如圖4中虛線部分而利用式(8)對FBG峰值附近光譜進行處理,再對其進行高斯擬合,取中心位置波長得到的結果則明顯克服了F-P腔長改變對FBG解調的影響,得到了與設定中心波長1544.056nm相符的解調結果,如圖4中實線部分。從而證明,該解調計算方法理論上是精確的。3fbg光譜對f-p解調值的影響為檢驗理論分析的結果,構建了如圖5所示的傳感測量系統(tǒng)。其中光源和光譜測量設備采用的是MOI公司生產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。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F-P腔長結果與刪除FBG光譜后再解調F-P腔長結果,如圖6所示。實驗中,由于懸臂梁處于自由狀態(tài),F-P腔長保持一恒定值。圖6的實驗結果表明,采用新方法后FBG光譜對F-P解調結果的影響被完全消除。數據處理結果表明,在FBG波長變化約3nm(相當于溫度變化254℃)的情況下,沒有觀測到對F-P腔長解調值的影響,F-P腔長解調的最大離散度由3.5nm提高到了0.2nm。對比理論模擬結果發(fā)現,FBG光譜對F-P解調的影響與理論預期基本相符,從而證明了該方法可以有效提高FBG與F-P串聯復用時F-P的解調精度。為檢驗F-P腔長變化對溫度測量的影響,設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峰值的結果與光譜經過修正后的計算出的FBG波長的結果,如圖7所示。通過圖(7)中2個解調結果的對比可以看出,采用式(8)對FBG光譜和F-P腔的干涉譜進行分離后,FBG反射波長峰值位置的解調結果受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的波長解調受到的影響,FBG解調值最大離散由1.4pm提高到了0.7pm,相當于溫度測量最大離散小于0.06℃。圖7中,測量數據的較大波動是由于恒溫箱中氣流對光柵的擾動造成的?？梢?實驗結果與理論分析和數值模擬的結果很好符合,實現了FBG與F-P腔傳感器串聯復用的高精度解調。4實驗結果分析FBG與F-P腔串聯復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行自補償的優(yōu)點,使其極為適于高溫、高壓油