張登攀,王 瑨,,王永杰

(1.河南理工大學機械與動力工程學院,河南 焦作 454000；2.中國科學院半導體研究所,北京 100083)

·光電技術與系統(tǒng)·

基于FBGA光纖光柵解調系統(tǒng)的實時校準方法

張登攀1,王 瑨1,2,王永杰2

(1.河南理工大學機械與動力工程學院,河南 焦作 454000；2.中國科學院半導體研究所,北京 100083)

針對海洋儀器高精度、大范圍、快速的測溫需求,提出基于FBGA(Fiber Bragg Grating Analyzer)的光纖光柵解調方法,并針對其自身溫漂現(xiàn)象提出一種基于F-P標準具的波長實時校準方法,進而減小系統(tǒng)誤差,提高系統(tǒng)測試精度。通過對系統(tǒng)整體測試,引用實驗數(shù)據(jù)具體說明采用提出的方法可使系統(tǒng)測溫重復性絕對誤差保持在±0.1 ℃以內,具有與MOI系統(tǒng)(Micron Optics)相當?shù)慕庹{精度。采用本方法的解調系統(tǒng)具有優(yōu)良的測試特性,同時小型化、低成本的優(yōu)勢使其更具有實用價值。

光纖光柵；FBGA；實時校準；海洋溫度

1 引 言

海水溫度是反映海水狀況最基本的物理量之一,對于溫度參數(shù)的獲取也存在環(huán)境因素上的特殊性[1]。與傳統(tǒng)傳感器相比,光纖傳感器具有靈敏度高、動態(tài)范圍廣、可靠性高、成本低、響應速度快等優(yōu)點[2-3]。光纖傳感技術在海洋監(jiān)測中也具有本征絕緣、成本低廉、組網(wǎng)成陣方便等優(yōu)勢,國內外已開展大量研究工作。如采用特殊形式封裝的FBG溫度傳感器響應時間可達到48.6 ms,優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器,同時其靈敏度為27.6 pm/ ℃[4]。開展海洋水文微細結構研究時,要求測溫傳感器具有較高的時間常數(shù)和溫度靈敏度,同時解調系統(tǒng)必須同時具備高靈敏度、快速響應、高精度等性能。到目前為止,光纖光柵解調方法大體分為干涉法和濾波法兩類,但普遍存在解調速度慢、價格高、精度較低等現(xiàn)象[5-8]。用途較為廣泛的基于FPGA的解調系統(tǒng)雖能實現(xiàn)高速率、高精度的監(jiān)測,但其響應的是一系列離散的波長,測量范圍較小[9]。

對于實際的海洋環(huán)境監(jiān)測,迫切需要研發(fā)一種體積小、成本低、采樣速度快、測量范圍廣、精度高,且便于攜帶的光纖Bragg解調系統(tǒng)?；诖?本文提出采用一種結構緊湊、重量輕,具有高靈敏度、高分辨率、高動態(tài)范圍和毫秒級響應時間的FBGA光纖光柵解調方法。此系統(tǒng)可實現(xiàn)對寬帶信號的同步測量,且其響應的是連續(xù)光譜,這是有別于掃描濾波器的優(yōu)點所在。在海洋溫度監(jiān)測中,要求測溫精度達到±0.1 ℃。實驗證明,在某一工作溫度下,FBGA波長精度為±11 pm。這對于靈敏度為27 pm/ ℃的傳感器要實現(xiàn)±0.1 ℃的高精度測量產(chǎn)生的影響是致命的。基于這種考慮,本文在軟件算法和硬件方面綜合考慮采用一種基于F-P標準具的實時校準方法,減小FBGA對高精度測溫的影響,進而滿足系統(tǒng)高精度的測溫要求。

2 FBGA工作原理

FBGA工作原理如圖1所示。從FBG傳感器返回的多波長光譜信號通過光纖輸入到FBGA模塊的單端口,經(jīng)準直透鏡后照射到體相位光柵VPG(Volume Phase Gratings)進行光譜分離,衍射區(qū)匯聚到一個InGaAs探測器陣列上。由控制電路讀出信號,經(jīng)由數(shù)據(jù)處理單元獲得要探測的信息。通過USB接口將原始數(shù)據(jù)和處理加工過的數(shù)據(jù)存儲在主機里。

圖1 FBGA工作原理

3 基于FBGA實時動態(tài)校正方法

3.1 波長實時校準方法

波長校準是光纖傳感解調系統(tǒng)實現(xiàn)工程化、實用化所必須的,即通過試驗建立系統(tǒng)輸入和輸出之間的某種準確函數(shù)關系。采用正確的波長校準方法不僅可以提高系統(tǒng)自身解調精度,還可以有效彌補由于傳感器本身非線性所引入的誤差[10]。比較常見兩種F-P濾波器的實時動態(tài)校正方案[11],根據(jù)實際應用分析,綜合FBGA模塊的特點,選擇并聯(lián)型校正方案。

FBGA實時校正方法的核心就是獲得較多的參考光柵點,進而獲得較高的修正精度；爭取更多的測量點,進而使系統(tǒng)更工業(yè)化。采用1×2光開關控制1路傳感FBG和1路F-P標準具,在不損失測量精度和測量范圍的前提下,通過采用時分復用的方式增加了測量點數(shù)。本方法選擇熱穩(wěn)定F-P標準具作為參考光柵,利用其透射光譜的多個峰值位置,定位待測光柵反射光譜峰值波長。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 實時校正系統(tǒng)結構框圖

熱穩(wěn)定標準具實質是一個固定腔長的F-P梳狀濾波器,在-5 ℃到70 ℃的工作溫度區(qū)間之內波長漂移量為6 pm。解調系統(tǒng)在實際測試環(huán)境中溫度變化最大為10 ℃,所以器件本身的最大波長漂移僅為0.8 pm/ ℃左右,因此可減少高精度控溫模塊,在增加參考測量點和提高測量精度的同時簡化系統(tǒng)結構,降低系統(tǒng)成本。本系統(tǒng)選用的是浦芮斯光電技術公司的F-P標準具,波長范圍是1525～1565 nm,自由光譜范圍為1.6 nm。ASE光源連接其輸入端,光譜儀連接輸出端,測試結果如圖3所示。

圖3 標準具實物圖及光譜圖

3.2 FBG波長計算方法

在解調過程中,已知所選用標準具的每個透射峰的中心波長真實值分別為A1,A2,…,An,按照從小到大的順序依次輸入配置文件,在軟件運行過程中不會被修改。解調出各個峰的中心波長分別為B1,B2,…,Bn,建立FBGA測量值與真實值之間的對應關系,確定每個峰值所對應的真實值。將標準具、FBG并聯(lián)在光路中,FBGA模塊每次掃描采集其光譜數(shù)據(jù),計算傳感FBG反射光譜相對于F-P標準具的各個峰值的相對位置,根據(jù)事先配置文件中已有的波長列表,找出最相鄰的兩個峰值波長,即當FBG的中心波長出現(xiàn)在F-P標準具參考波長λm和λm+1之間,如圖4所示,根據(jù)相對索引值以臨近原則計算FBG反射光譜的中心波長。

圖4 FBG波長計算示意圖

將待測傳感光柵的波長與相鄰的兩個F-P標準具參考波長之間近似看作是線性關系,這一近似關系僅是在標準具相鄰兩峰之間,在這樣一個很小的范圍之內是比較準確的。FBG的中心波長可分為以下兩種情況分別求出。

當FBG波長λ接近λm時,如圖4(a):

(1)

當FBG波長λ接近λm+1時,如圖4(b):

(2)

以上兩式中,λm、λm+1是F-P標準具的參考波長,λ是待測FBG波長,a、b是參考波長所在位置,c是待測FBG波長所在位置,c在a和b之間。此時,FBG波長只與F-P標準具的參考波長有關,不再受FBGA模塊自身溫漂的影響,只需對FBG通道和參考通道進行實時同步采集和峰值檢測,由FBG波長所在位置和相鄰兩個參考波長及位置計算得出,此種方法可消除FBGA溫漂現(xiàn)象對系統(tǒng)解調精度的影響,從而提高系統(tǒng)的解調精度和穩(wěn)定性。

4 測試實驗與分析

4.1 增敏光纖布拉格光柵傳感器溫度特性測試

光纖Bragg光柵傳感器是溫度解調系統(tǒng)的重要組成部分,其性能的好壞直接影響到整個解調系統(tǒng)的效果。裸光柵的溫度靈敏度較低,會直接影響系統(tǒng)對外界環(huán)境變化的感應。在本實驗中采用文獻[4]中增敏封裝的FBG溫度傳感器進行溫度特性測試。

實驗中,將增敏封裝的FBG1、FBG2溫度傳感器放入恒溫水浴槽,改變水浴槽溫度,每升溫5 ℃并穩(wěn)定一個小時記錄一次數(shù)據(jù),實驗結果如表1所示。

表1 溫度特性測試誤差

對比表1中數(shù)據(jù),測得數(shù)據(jù)結果與實際溫度相差不大,且讀數(shù)穩(wěn)定。對表1中數(shù)據(jù)進行擬合,由圖5可看出,線性度較好,且斜率接近為1。

圖5 溫度特性測試結果

4.2 重復性測試

評價解調系統(tǒng)性能指標中,重復性是其中重要的一項。重復性一般體現(xiàn)的是設備本身的固有誤差。

本系統(tǒng)的重復性實驗分為升溫和降溫穩(wěn)定性實驗。第一步,進行升溫穩(wěn)定性實驗。采用FBG1溫度傳感器,將其放入恒溫水浴槽,每升溫5 ℃并穩(wěn)定一個小時記錄一次數(shù)據(jù)。間隔5 h,重復上述實驗。兩組實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 升溫實驗數(shù)據(jù)

第二步進行降溫穩(wěn)定性實驗。同樣采用FBG1溫度傳感器,將其放入恒溫水浴槽,每降溫5 ℃并穩(wěn)定一個小時記錄一次數(shù)據(jù)。間隔5 h,重復上述實驗。兩組實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 降溫實驗數(shù)據(jù)

四組實驗的絕對誤差如圖6所示。

圖6 重復性實驗絕對誤差

從表2、3和圖6可以看出,無論是升溫還是降溫實驗,系統(tǒng)對溫度測量的絕對誤差都保持在±0.1 ℃以內,說明系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

4.3 解調實驗結果分析

為了驗證該解調系統(tǒng)的精度,選取6個不同波長的溫度傳感器,分別用MOI解調儀SM125系列和文中方法進行溫度特性對比測試實驗,每升溫5 ℃并穩(wěn)定一個小時記錄一次數(shù)據(jù)。實驗溫度數(shù)據(jù)如表4和表5所示。

對比以上兩組數(shù)據(jù)可知:在同一設定溫度、同一傳感器下,比較所測溫度與設定溫度之間的平均誤差,FBGA與MOI解調方案相差不多；在同一設定溫度下,隨著傳感器波長的變化,比較所測溫度與設定溫度之間的平均誤差,FBGA與MOI解調方案也相差不大。由此說明,采用此種校準方法的FBGA解調系統(tǒng)具有與MOI相當?shù)慕庹{精度,由系統(tǒng)原因造成的測量誤差很小。

表4 SM125測試數(shù)據(jù)

表5 FBGA測試數(shù)據(jù)

5 結 論

F-P標準具的多波長參考,可以達到pm級別的實時波長校準精度,這是一種理想的校準波長參考。采用該種實時校準方法,系統(tǒng)波長檢測精度不再受FBGA解調模塊自身溫漂特性的影響,而且在一定程度上也消除了由傳感器非線性帶來的測量誤差。FBGA解調模塊具有有別于普通F-P掃描濾波器的連續(xù)光譜掃描特性,同時具有快速、大動態(tài)范圍、高精度的測試特性,使其能夠滿足海洋環(huán)境監(jiān)測的特殊需求,同時在橋梁、大壩及電力設備等環(huán)境監(jiān)測領域也具有廣闊的應用潛力。

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Real-time calibration technique of fiber Bragg grating demodulation system based on FBGA

ZHANG Deng-pan1,WANG Jin1,2,WANG Yong-jie2

(1.School of Mechanical & Power Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China;2.Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China)

Aiming at the requirement of high-precision large-scale fast-response temperature measurement of ocean instruments,a new demodulation method of fiber Bragg grating (FBG)based on FBGA (Fiber Bragg Grating Analyzer)is presented.To solve the problem of system temperature drift,a real-time calibration technology based on F-P etalon is proposed,which can reduce system errors and improve test precision of the system.Through testing the system and analyzing experimental data,the absolute error of temperature measurement repeatability can keep within ±0.1 ℃ by adopting this method,and its demodulation precision can also match that of MOI (Micron Optics).This system has excellent testing characteristics and advantages of miniaturization and low cost,which has much practical value.

fiber Bragg grating;FBGA;real-time calibration;ocean temperature

國家自然科學基金(No.41276094);中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項A(No.XDA110-40201)項目資助。

張登攀(1975-)，男，副教授，博士，主要從事精密測量技術及儀器的研究。E-mail:zhangdengpan@hpu.edu.cn

2014-10-21;

2014-11-21

1001-5078(2015)07-0825-05

TP21

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.020