基于最大射频强度判别法的温度传感波长解调研究 下载: 931次
1 引言
光纤布拉格光栅(FBG)传感器因其具有抗电磁干扰、耐高温腐蚀、灵敏度高及其可与光纤器件兼容等独特的优势, 已经被越来越广泛地应用于桥梁建筑结构安全、隧道火灾监测、管道气体泄漏监测、安防等领域。FBG传感器的基本工作原理是对其反射光谱峰值的微小变化进行探测,从而获知外界温度或应力的变化量。光谱仪法作为常用的FBG解调方法之一,采用衍射和色散光栅来进行波长测量,分辨率较低,并且光谱仪价格相对昂贵、体积庞大,很多情况下无法满足FBG解调要求;匹配光栅滤波解调法的解调精度相对较高,信噪比指标也较好,但要求待测FBG与参考FBG特性完全匹配,相较于其他方法,波长解调范围很小,且对系统要求较高[1];干涉仪法及电荷耦合器件解调法的解调精度和速度均优于其他方法,并且在高速变化的物理量检测方面也表现良好,但是这两种方法对外界因素造成的干扰十分敏感,需要屏蔽非检测量[2]。
由于光波与微波之间的频率差异巨大,参量在光域中发生的微小变化可以很明显地反映在微波频域;同时,对微波信号的检测可以得到相比于对光波检测更高的频率分辨率,且系统整体成本也较低。在过去的30年里,微波光子学的研究领域已经逐渐开拓[3-4],尤其是针对微波光子滤波器的研究已经较为广泛[5-6]。有研究人员提出将微波光子滤波器(MPF)应用于FBG传感器中。在该结构中,FBG既是传感元件,也是MPF的组成部分。微波信号通过调制器加载到光载波上再进入待测网络,环境变量引起的FBG谐振波长漂移转换为MPF的频率响应变化,被同步的探测器捕捉并由频谱仪快速解调[7-9]。除了光纤光栅,微波光子滤波技术也被用于干涉型传感器。南京师范大学的研究人员[10]运用非本征法布里-珀罗干涉仪(EFPI)将宽谱光源分割,通过色散介质形成不同时延,以实现微波光子传感解调。华中科技大学夏历研究组[11]提出射频非平衡马赫-曾德尔干涉仪(RF-UMZI)以应对环境干扰,受应力变化影响的光纤光栅波长产生漂移从而引入时延,形成微波光子滤波器。
以上所述研究中的微波光子传感解调方法大部分是基于滤波器的频率响应,通过测量滤波器谐振频率漂移从而对波长进行解调,每次测量时需要对频率响应进行逐点扫描,耗时较长,同时基于矢量网络分析仪的瞬时频率响应测试容易导致测试结果的精确降低。本文针对文献[ 11]提出的微波射频非平衡干涉仪结构在温度传感中的应用进行了实验研究。通过测量射频信号在系统中各器件尾纤节点处的输出参数,分析在实际应用中因光波经历模式选择、偏振态改变、非线性效应等复杂过程引入的射频信号损耗;通过扫描各频率点的最大输出强度,描绘出系统频率响应;针对某个特定微波频率输出强度的一定量样本观测值,提出了最大射频强度判别法。该方法在一定程度上减轻了实际输出射频强度因噪声产生的波动影响,实验最终得到了0.1692 dB/℃的传感灵敏度。该方法可用于对微波射频非平衡干涉仪结构探测数据的处理,对今后该类结构的性能改进具有一定的指导意义。
2 实验结构与原理
基于RF-UMZI的微波光子滤波器传感系统结构如
图 1. 实验结构示意图。(a)基于RF-UMZI的微波光子滤波器传感系统示意图;(b) 2 km单模光纤损耗测量结构图
Fig. 1. Schematic of the experimental structure. (a) Schematic of the proposed MPF sensor system based on an RF-UMZI; (b) loss measurement for the 2 km SMF
两路微波信号随温度调谐前后的光载波分别通过干涉仪的两臂,产生不同时延,从而构成二抽头微波光子滤波器。滤波器的时延差由两部分组成: 1)由干涉仪两臂固有的光程差决定;2)在不同温度情况下波长漂移后分别经过光纤色散而产生的可调时延。假设MZ干涉仪的两臂长度分别为
式中:
在干涉仪一臂中加入一卷一定长度的光纤引入色散,产生的时延可表示为
式中:
由此可以得到,微波光子滤波器两支路的时延差Δ
式中:
式中:
式中:
由于
按照传统的微波光子学理论,当
式中:
通过扫描不同应力(温度)条件下的
3 实验结果分析
在
用两个耦合器组成的MZ干涉仪替换SMF,此时
图 3. 不同固有时延差下测得的RF-UMZI频率响应。(a) ΔL=2 km;(b) ΔL=3 km
Fig. 3. Measured frequency response of the RF-UMZI for different fixed time delay differences. (a) ΔL=2 km; (b) ΔL=3 km
从
各温度点的不同时刻射频信号强度测量结果如
图 4. 119.96 MHz频率处的实时射频信号输出强度
Fig. 4. Real-time RF intensity for the modulation frequency of 119.96 MHz
表 1. 各温度下读取的等时间间隔的射频信号强度
Table 1. RF signal intensity with equal time intervals at different temperatures
|
在温度保持稳定的情况下,每个温度分别读取11个射频信号强度,通过导出的数据表格得到输出峰值。
在实验过程中,由于非相干光中固有的相位噪声与非线性效应影响,输出射频信号强度衰减越多,产生波动也会越大。
图 5. 射频信号强度随温度的变化曲线。(a)最大值;(b)平均值
Fig. 5. Intensity changed as a function of temperature in the experiment. (a) Maximum value; (b) average value
图 6. 输出射频信号采样标准差
Fig. 6. Standard deviation of the RF signal intensity for every temperature
4 结论
基于微波光子滤波器的FR-UMZI传感系统的部分特性虽然优于传统解调法,如高信号质量、对光波导类型的低依赖性,以及对偏振变化的不敏感性,但由于其光源的特殊性,仍存在许多问题需要解决。本研究运用最大射频强度判别法,取每个温度下相同时间间隔内的最大输出幅度,得到了0.1692 dB/℃的传感灵敏度。另外,对实际应用中各个器件对非相干光的偏振损耗及光纤光栅的反射谱宽对于系统的最终输出功率影响进行了测量,若接收端的响应度较低,将导致输出信号较弱,无法探测,或是输出信号伴随噪声起伏较大。
[1] 华静. 长周期光纤光栅的信号解调技术[D]. 杭州: 中国计量学院, 2012: 10- 13.
HuaJ. Technology of signal interrogation of long period fiber grating[D]. Hangzhou: China Jiliang University, 2012: 10- 13.
[4] Yao J P. Microwave photonics[J]. Journal of Lightwave Technology, 2009, 27(3): 314-335.
[5] 徐恩明, 李凡, 张祖兴, 等. 单双通带可切换的微波光子滤波器[J]. 光学学报, 2019, 39(5): 0506003.
[6] 王文轩, 陶继, 黄龙. 基于光注入法布里-珀罗激光器的窄带可调谐微波光子滤波器[J]. 中国激光, 2017, 44(10): 1006002.
[9] 崔益峰, 汪弋平, 施青云, 等. 基于微波光子滤波器的高分辨率光纤横向负载传感器[J]. 光学学报, 2018, 38(12): 1206004.
朱雨霜, 桂林, 朱玉绚. 基于最大射频强度判别法的温度传感波长解调研究[J]. 光学学报, 2019, 39(7): 0728003. Yushuang Zhu, Lin Gui, Yuxuan Zhu. Temperature Sensing for Wavelength Demodulation Based on Recognition by Maximum Intensity of Radio Frequency[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(7): 0728003.