1 引言

在健康监护领域,对患者或老年人生理参数的实时监测是十分有必要的^[1-4]。为了提高监测的移动性和舒适性,对具有检测机械、热或化学参量能力的智能传感织物的研究备受关注^[5-8]。目前,大多数对传感织物的研究主要集中于用电学方法。然而,电学传感器具有易受电磁干扰的缺点,限制了其在核磁共振等强磁场或强电磁干扰场合的应用。由于光纤传感器具有灵敏度高、带宽范围大、抗电磁干扰、对人体本质安全、与纱线兼容等特点,光纤传感织物的研究逐步引起人们的关注^[9-14]。其中,基于波长调制型的光纤光栅(FBG)传感织物是该领域的主要研究方向,其具有很高的灵敏度,不受光源波动和光纤弯曲的影响,且容易组网以进行多种生理信号的检测。2008年,欧洲的OFSETH项目提出了将FBG集成在织物中的设想,并实现了在核磁共振环境中对人体呼吸运动的测量^[15-16]。Carmo等^[17]研制了一种基于FBG的智能服装,实现了人体呼吸和心跳频率的同步采集。此外,Li等^[18]研究了一种基于FBG阵列的多点温度检测智能服装,通过将FBG嵌入聚合物载体实现了较高的温度灵敏度。脉搏信号与人体心脏机能和血压状况密切相关,是健康监护中重要的生理指标。文献[ 19-20]分别利用裸光纤光栅进行了人体脉搏波测量的初步研究。本课题组前期也研究了一种脉搏传感织物,通过特殊的编织方式将光纤光栅传感器织入织物,实现了桡动脉脉搏波的测量^[21]。然而,在光纤光栅检测系统中,需要对波长信息进行解调从而获得被测信号,而传统的波长解调装置由于体积和质量的原因,不适合在织物传感领域中应用。因此,新型光纤光栅波长解调方法的研究成为光纤光栅织物传感系统中的关键问题,具有重要意义。

本文提出并验证了一种基于微结构法布里-珀罗干涉仪(MS-FPI)的光纤光栅波长解调方法,实现了对光纤光栅脉搏波的解调。通过特殊的熔接工艺在光纤内部形成气泡微腔,从而产生法布里-珀罗(F-P)干涉。经测试,所制作的MS-FPI干涉谱形平滑,对温度和弯曲的变化不敏感,适合作为边沿滤波器对FBG进行解调,并且其与纱线兼容的特点使其具有织入织物的潜力。基于该MS-FPI设计了波长解调系统,在脉搏波引起的波长变化范围内实现了线性解调。脉搏实测结果表明所解调出的脉搏波与商用解调仪大的结果一致,通过与光电容积脉搏波的对比,证明了解调脉搏波的正确性。

2 MS-FPI原理与制作

所提出的MS-FPI通过熔接一段普通单模光纤(SMF)和一段光子晶体光纤(PCF)构成,所使用的PCF的包层由空气管结构构成。在熔接过程中,当温度足够高时,熔接点附近的光纤呈熔融状态,使得在熔接面附近的一小段PCF中的空气孔结构完全坍塌。通过选择合适的熔接参数,可以使原来在PCF中的空气在坍塌过程中于光纤内汇聚形成微气泡,从而构成F-P腔^[22],其结构如图1所示。由于每个玻璃-空气界面的反射率非常低(小于4%),这种MS-FPI可以描述为双光束干涉^[23-24],其反射光强I(λ)可以表示为

I(λ)=I1+I2+2I1I2cos4πnLλ+φ0,(1)

式中,I₁和I₂为两束微腔界面反射光的强度,n为F-P腔内介质的折射率,L为F-P腔的长度,λ为输入光的波长,φ₀为初始相位。干涉周期Λ=λ²/(2nL)。由于腔内介质为空气,其折射率为1,在波长一定的条件下,干涉周期仅与腔长L有关。通过调节L,可以改变干涉峰边沿的斜率。

图 1. MS-FPI结构示意图

Fig. 1. Structural diagram of MS-FPI

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实验中所使用的单模PCF(YSL,SM-10)具有三层空气孔结构(如图1内插图所示)。以商用熔接机(FITEL S183PM-II)中的内置光子晶体-单模光纤熔接程序为基础,调整相关熔接参数,对一段单模光纤(Corning SMF-28)和上述PCF进行熔接,探索微气泡的形成规律。实验发现,当放电功率为135~165 bit时,可在熔接点附近出现重复性较好的微气泡,且所形成的微气泡尺寸随着放电强度的增加而增加,所获得的FPI腔长一般在50 μm以下。为满足FBG脉搏波解调要求,干涉峰边沿线性区域要大于2.5 nm,且在此基础上要尽量增大腔长,提高干涉峰边沿的斜率,以获得较高的解调灵敏度。根据上述原则以及FPI制作的稳定性,选择出用于波长解调的MS-FPI,其腔长约为48 μm,气泡结构如图2所示。

图 2. MS-FPI显微镜图

Fig. 2. Micrograph of MS-FPI

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当MS-FPI作为波长解调滤波器时,其滤波边沿应该在FBG漂移的范围内保持稳定。根据前期的测试,光纤光栅脉搏传感织物在进行脉搏测量时输出的波长范围为1546~1549 nm。因此,在该波长范围内,利用文献[ 25]所述的实验装置,对所制作的MS-FPI的温度和弯曲特性进行研究。

为增加FPI的机械强度,将熔接点处的裸光纤部分用丙烯酸脂进行涂覆。在涂覆前后,自由状态下的MS-FPI干涉谱未发生明显变化,如图3所示。由于微气泡的尺寸很小,光纤的纯弯曲引起的腔长变化也很微小,故干涉谱的变化不明显。对涂覆后的MS-FPI进行大幅度弯曲,当弯曲直径约为4 cm时,干涉谱向长波方向仅漂移了0.42 nm,且在1545~1550 nm部分的干涉峰边沿(即用于解调的滤波器边沿)没有发生明显形变。

由于热膨胀效应,MS-FPI中气泡的尺寸理论上会受到温度变化的影响。但是温度的变化不会改变腔内空气的折射率。因此,MS-FPI的温度灵敏度非常低,文献[ 22]的报道中仅为0.95 pm/℃。所制作出的MS-FPI在20~120 ℃温度变化范围内,其干涉谱基本没有变化,如图4所示,这与相关文献中的报道相吻合。

图 3. MS-FPI不同状态下的干涉谱,内插图为对应干涉谱的弯曲状态

Fig. 3. Interference spectra of MS-FPI under different statuses, the inset indicates the bending status of the corresponding interference spectrum

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图 4. 不同温度下的MS-FPI干涉谱,内插图为波形的局部放大

Fig. 4. Interference spectra of MS-FPI under different temperatures, the inset is the partical enlargement of the waveform

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通过弯曲和温度特性实验,证明了所制作的MS-FPI具有较好的稳定性,能够作为边沿滤波器对光纤光栅脉搏波进行波长解调。此外,由于光纤表面光滑,且比纱线坚硬,通过特殊的编织工艺(如经编衬纬),当MS-FPI织入织物后,几乎不会受到轴向应变的影响。因此,所提出的MS-FPI适合集成到织物中。

3 波长解调原理

所提出的基于MS-FPI的光纤光栅脉搏波解调系统如图5所示,包括放大自发辐射(ASE)宽带光源,四端口光环行器,MS-FPI滤波器,光探测器及其转换电路,数据采集卡(NI,USB||6259,16 bit)和计算机上运行的处理软件。其中,光探测器及其转换电路采用一体化的PIN-FET光接收组件(SPF0800),该组件采用InGaAs平面结构PIN光电探测器,内部集成了光电转换和放大电路,其响应度为0.95 A/W(1550 nm),灵敏度小于-54 dBm。

图 5. 基于MS-FPI的波长解调系统示意图

Fig. 5. Schematic diagram of wavelength demodulation system based on MS-FPI

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由于脉搏波引起的FBG波长漂移很小,在波长变化范围内,ASE光源的功率谱密度函数可以近似为常量(S₀)。当FBG的带宽远小于FPI的自由光谱范围时,FBG的反射谱函数可以用冲击函数表示。假设光电转换为线性,则光电转换电路输出电压V_out可以表示为

Vout=K1K2S0R0∫0∞δ(λ-λB)T(λ)dλ=K1K2S0R0·T(λB),(2)

式中,λ_B为FBG的中心波长,R₀为FBG的反射率,K₁为光路衰减系数,K₂为光电转换系数。T(λ)为MS-FPI的功率谱密度函数,根据(1)式,其可表示为

T(λ)=t1+t2cos4πnLλ+φ0,(3)

式中,t₁和t₂分别为直流偏置量和交流系数。将T(λ)在FBG初始波长λ₀处泰勒展开,仅保留常数项和一次项,则系统输出电压V_out可表示为

Vout=K1K2S0R0(A+B·λB),(4)

式中

A=t1+t2cos4πnLλ0+φ0-4πnL·t2λ0sin4πnLλ0+φ0B=4πnL·t2λ02sin4πnLλ0+φ0。(5)

实验中发现,由于脉搏引起的FBG波长漂移仅为几十皮米。根据上述推导,在光纤光栅脉搏波的变化范围内,V_out和λ_B可近似为线性关系。因此,可通过采集V_out的变化,来获取脉搏信号。

4 实验结果与分析

4.1 静态波长解调实验

根据上述波长解调原理,设计了一种基于MS-FPI滤波的FBG波长解调系统,其静态波长解调实验装置如图6所示。将FBG脉搏传感单元的一端固定在平移台上,另一端固定在升降台上。通过调节升降台的高度,使FBG脉搏传感单元发生微弯,从而改变FBG的反射波长。利用光谱分析仪(OSA,YOKOGAWA,AQ6370B,分辨率为20 pm)来获取FBG的波长信息。

图 6. 静态波长解调实验装置图

Fig. 6. Setup of static wavelength demodulation experiment

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图 7. 静态波长解调实验结果

Fig. 7. Results of static wavelength demodulated experiment

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图 8. 解调输出与波长的线性拟合结果

Fig. 8. Linear fitting result of the demodulated outputs and wavelengths

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FBG的初始波长被调节至1546.6 nm。在前期使用商用波长解调仪的实验中,当传感织物佩戴在腕部后,FBG的静态波长会因外部压力而发生平移,但平移范围不超过2.5 nm。而脉搏波引起的波长变化仅有几十皮米。因此,在实验中,FBG波长的调节范围为1546.6~1549.2 nm,步进为0.2 nm。同时记录FBG的反射波长与解调系统的输出电压,重复进行3次实验,结果如图7所示,可见解调系统具有很好的重复性。将FBG波长与三次重复实验的平均值进行线性拟合,结果如图8所示,两者具有很好的线性关系,这与前述的理论分析相一致。

4.2 脉搏波测量实验

图 9. 同一志愿者的FBG脉搏波。(a)商用解调仪获得的脉搏波;(b)所设计解调系统输出的原始脉搏波;(c)处理后的脉搏波

Fig. 9. FBG pulse wave of the same volunteer. (a) Pulse wave obtained by commercial interrogator; (b) original pulse wave output by the designed demodulation system; (c) processed pulse wave

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分别利用所设计的波长解调系统和商用波长解调仪(MOI,Sm130)对同一被测者的脉搏波信号进行解调。在测试过程中,被测者所佩戴的FBG脉搏传感织物位置保持不变。图9(a)为Sm130解调出的脉搏波信号,可见脉搏波引起的FBG波长漂移约为60 pm。自制波长解调系统输出的脉搏波信号如图9(b)所示,解调信号的脉搏特征虽明显,但波形不是非常平滑,存在一定的高频噪声。基于小波变换和数学形态学滤波的去噪算法对原始解调脉搏波信号进行处理^[26],结果如图9(c)所示。可见,处理后的信号波形变得平滑,在保留脉搏主要特征的基础上,有效地抑制了原有的高频噪声。通过对比,两种解调装置所获取的脉搏波的波形具有很好的一致性。

利用该解调系统对多人的脉搏波进行检测,为了进行对比,同步采集被测者指尖部位的光电容积脉搏波(PPG)。在实验中,所有被测者的FBG脉搏波均能被有效地检出。图10为其中两名被测者的FBG脉搏波信号和PPG脉搏波信号,FBG所检测出的脉搏波与PPG脉搏波波形基本一致。由于检测位置和灵敏度不同,FBG脉搏波下降沿中的潮波和重搏波特征更为明显。实验结果表明,所提出的解调方法用于FBG脉搏波检测具有可行性。

图 10. FBG脉搏波与PPG脉搏波的对比。(a)志愿者A;(b)志愿者B

Fig. 10. Comparison of pulse waves of FBG and PPG. (a) Volunteer A; (b) volunteer B

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5 结论

为了实现FBG传感织物对脉搏波的检测,本文提出了一种基于MS-FPI的FBG波长解调方法。该MS-FPI由熔接单模光纤和PCF过程中出现的微气泡所构成。由于其体积微小,外形如同光纤,对环境温度和弯曲不敏感,因此适合作为波长解调滤波器,并具备织入织物的潜力。对基于MS-FPI的波长解调方法进行理论分析,推导相关解调公式,证明解调输出与脉搏波存在线性关系。分别进行静态波长解调和脉搏波实测实验,结果表明,该方法的解调效果与商用波长解调仪的结果相当,且通过与光电容积脉搏波的对比,证明了所解调的FBG脉搏波的正确性。相比课题组前期研究的在线马赫-曾德尔干涉仪,MS-FPI受弯曲和温度变化的影响小,可以提高解调的稳定性,其极小的尺寸和柔性封装的特点更加适合与织物的集成。该解调方法为FBG智能传感织物的研究与应用提供了参考,具有重要意义。