吴 晶，吴晗平 ，黄俊斌，顾宏灿

(1.海军工程大学兵器工程系，湖北武汉430033;2.武汉工程大学光电子系统技术研究所，湖北武汉430205;3.海军工程大学管理工程系，湖北武汉430033)

1 引言

光纤光栅(FBG)自产生以来，就成为通信和传感领域的研究热点。尤其是在传感领域，FBG传感器作为一种新型传感器，相对传统传感器具有质量轻、体积小;高灵敏度、高分辨率;耐腐蚀、耐高温;抗电磁干扰;能组建大规模准分布式传感网络等特点［1］。因而被广泛应用到民用工程结构、舰船结构、核设施等领域的安全监测［1-3］。

FBG栅传感器作为一种波长调制器件，在应用时如何精确地解调出波长变化量，是FBG传感器走向实用化需要解决的关键问题之一。为此，研究人员作了大量的工作，并提出了很多行之有效的解调方法。本文对现有解调方法进行综述，按照解调原理进行分类，并对各种方法的解调精度、成本、复用能力和优缺点进行了比较和分析，以期为FBG传感器能更广泛的应用于传感领域提供参考。

2 FBG解调方法分类

目前，FBG传感信号的解调方法有很多，根据各种解调方法的原理和特点，将现有的解调方法分为以下几类:

2.1 边缘滤波法

该法用某些滤波器的线性滤波特性，将FBG反射信号的波长漂移量转化为光功率变化量，通过测量光功率变化量来实现波长解调。原理如图1(a)所示，当FBG的反射信号经过线性滤波器时，滤波器的输出功率随反射信号的中心波长改变而改变，从而可将FBG反射信号的中心波长变化量转化为功率强度变化量，实现波长解调。

图1(b)是用体积光学线性滤波器实现的线性解调系统［4］。试验结果显示其测量范围为11mε，应变分辨率为375με。其优点是:能有效抑制光源输出功率的起伏影响，系统响应速度快，成本低，适合动态、静态测量，具有较好的线性输出。不足之处:测量精度受体积滤波器准直和稳定性的影响较大，分辨率较低，不利于携带。

图1 边缘滤波解调系统及原理Fig.1 System and principle of edge filter demodulation

针对体积光学线性滤波器的不足，1994年M.A.Davis提出用光纤波分复用(WDM)耦合器替代体积光学滤波器，实现一个全光纤线性滤波系统［5］。系统原理如图2所示。

图2 WDM边缘滤波解调系统Fig.2 WDM filter demodulation system

图3 采用偏振控制器的WDM边缘滤波解调系统Fig.3 WDM filter demodulation system with polarization controller

FBG的反射信号经光纤波分复用(WDM)耦合器从两个端口输出，两端口的透过率反射信号的波长近似成线性关系。则系统的输出η=与反射波长成线性关系，因此，可通过测量系统的输出值来确定反射波长值。其优点是:提供一种全光纤、便携式解调系统，降低了连接损耗，提高了系统的分辨力。不足之处:WDM具有偏振特性，导致测量波长精度不高。针对WDM的偏振特性，2005年田珂珂在系统上增加一个偏振控制器，用于控制输入光的偏振状态，有效提高了系统解调精度和稳定性［6］，如图3所示。试验结果显示:系统的波长解调范围为10 nm，波长分辨率为0.01 nm。此后，研究人员采用边缘滤波法进行了大量研究，在系统结构和滤波器选择上作了很多改进，如阵列波导光栅(AWG)、长周期光纤光栅、非对称F-P滤波器、光源的边缘滤器，如表1所示。

表1 边缘解调算法性能对照表Tab.1 Performance comparison of edge filter demodulation method

2.2 匹配滤波法

该法用与传感光栅参数相近的参考光栅来跟踪传感光栅波长变化的解调方法。系统如图4(a)所示。传感光栅FBG1的反射信号光经耦合器输入到参考光栅FBG2，FBG2在压电驱动元件作用下跟踪FBG1的反射波长变化，当FBG2反射波长与FBG1反射波长匹配时，反射功率最大，通过测量驱动信号可解调出被测量。2004年陆青采用此法实现应变测量精度为3.0με，测量范围为522με［18］。匹配滤波系统不仅有反射式还有透射式，透射式的光电探测器放置于接收透射光位置，通过检测透射光功率来解调被测物理量，系统如图4(b)所示。

图4 单点匹配滤波系统Fig.4 Matched filter system with single point

另外，匹配滤波法还可将参考光栅采用并联、串联方式实现阵列光栅解调，如图5所示。

图5 分布式匹配滤波系统Fig.5 Distributed matching filter system

由匹配滤波原理可知，当参考光栅和传感光栅的反射谱达到完全匹配时，其反射光功率最大或透射光功率为零，而实际难以实现完全匹配，通常选择最佳匹配。而输出光功率是绝对值，因此会在完全匹配点两侧各有一个最佳匹配点，导致双值问题。针对该问题，可采用多档光栅并联解调，通过合理选择并联解调光栅的中心波长和带宽，将反射光功率与应力的非线性问题转化为线性问题，可解决双值问题［18-19］。也可以合理选择匹配光栅中心波长、带宽和中心波长差，使传感光栅反射谱与并联的两个光栅都有重叠部分，通过对并联匹配光栅的组合扫描，判断两个重叠部分的变化方向来确定反射谱唯一性［20］。

匹配滤波法优点:结构简单、成本低、适合于静态和低频动态测量。不足之处:测量范围有限，检测灵敏度由PZT位移灵敏度决定，PZT的非线性影响输出结果，系统光损耗较大。

2.3 可调谐滤波法

该法是用不同光学器件和辅助器件构成可调谐光学器件，当可调谐滤波器光谱与传感光栅光谱匹配时，输出值最大，从而跟踪传感光栅波长变化。测量分辨率受反射信号信噪比、可调谐滤波器和传感光栅带宽影响。

2.3.1 可调谐光纤F-P滤波法

该法用F-P腔的波长选择特性来实现波长解调，系统如图6(a)所示，传感光栅反射的窄带光谱经耦合器进入F-P滤波器，当传感光栅反射光谱与F-P滤波器透射光谱重合时，滤波器输出功率最大。F-P腔透射谱与F-P腔的间隔有关，而F-P腔的间隔则受压电体上的锯齿波扫描电压控制，因此，通过测量最大光强值对应的扫描电压可解调出传感波长。另外，也可将光纤F-P滤波器前置，实现图6(b)所示解调系统。将宽带光源光谱变成窄带光谱，扫描传感光栅，当窄带光谱与传感光栅反射谱相同时，产生反射，通过检测反射光谱即可实现波长解调。此法优点是:信号稳定，解调范围大，一般都在40 nm，精度近似1 pm，能实现大规模光栅传感网络复用。缺点:可调谐F-P滤波器的非线性和不重复性影响解调精度，当扫描频率增加时，滤波器输出信噪比下降，目前的扫描频率一般为1 kHz。

图6 可调谐光纤F-P滤波器解调系统Fig.6 Tunable fiber F-P filter demodulation system

针对F-P滤波器的不重复性问题，2006年，王军提出采用一个固定波长光栅作为参考光栅的方法，有效减小了可调谐F-P滤波器输出中心波长漂移产生的影响［21］。另外，针对驱动电压VFSR的变化量不稳定产生的误差，提出了双波长参考法，通过增加可调谐F-P滤波器扫描驱动电压的变化范围，使其在一个扫描周期内能两次探测到参考光栅的反射峰，则这两个峰值之间的光谱间距为一个FSR，对应的扫描电压差为一个VFSR，从而可实时动态测出VFSR，有效提高了系统解调精度。

2009年，陈亮针对F-P滤波器透射波长与驱动电压值线性度不高的问题，提出了一种引入带标记热稳定标准具模块来实现实时校准的解调方法，系统如图7所示，宽带光经F-P滤波器调谐成窄带光谱后经耦合器分成两路，一路输入到传感光栅，另一路输入到带标记热稳定标准具，标准具透射光作为校准数据［22］。该方法利用带标记热稳定标准具的梳状滤波特性，对传感光栅的反射谱进行分段实时寻峰。优点:有效解决了可调谐F-P滤波器驱动电压与透射光谱之间重复测量点扰动影响，解调精度可达1 pm，不足之处是解调精度受单位谱宽内采样点数的影响。

图7 带标准具模块的可调谐F-P滤波器解调系统Fig.7 Tunable fiber F-P filter demodulation system with Fabry-Perot cavity standard utensil

2011年，刘琨等人针对F-P滤波器非线性问题，采用多项式拟合法来描述F-P滤波器透射波长和驱动电压的非线性关系，有效减小了波长的随机误差;另外，采用参考光栅法降低传感光栅波长的定位误差，有效提高了系统解调精度［23］。

2.3.2 声-光可调谐滤波法

该法以电调谐实现波长扫描。工作模式分为扫描模式和锁定模式。扫描模式:电压控制震荡器(VCO)控制声－光可调谐滤波器(AOTF)在传感波长范围内扫描，并记录传感光栅反射功率;锁定模式:检测系统采用反馈回路来跟踪特定的光栅波长［24］。优点是:能进行多波长信号的并行处理，从而可实现复用;不足:系统检测精度受AOTF带宽影响，精度不高。

2.3.3 可调谐半导体量子阱电子吸收滤波法

该法用量子限制Stark效应，调节半导体量子阱电子吸收滤波探测器的吸收边缘，得到一种波长可调谐滤波器［25］。优点:成本低、体积小。不足:解调精度低。

2.4 光源波长可调谐扫描法

2.4.1 可调谐窄带光源解调

该法是通过受锯齿波电压周期作用的外置PZT控制可调谐窄带光源，输出在一定波长范围内周期性变化的窄带光谱，扫描传感FBG阵列，当光源输出的窄带光谱波长与传感FBG反射波长相等时，探测器输出的光功率最大［26］。系统如图8所示。

图8 可调谐窄带光源解调系统Fig.8 Tunable narrowband source demodulation system

优点:信噪比和分辨率较高，可得到的最小波长分辨率为2.3 pm，温度分辨率为0.2℃。缺点:稳定性、可调谐范围和PZT响应时间等因素限制了其实际应用。2011年，张治国等人采用周期性调谐反射式半导体光放大器(R-SOA)与可调谐FBG构成窄带可调谐激光器，在波长1 551.91～1 553.92 nm范围内，实现系统波长探测精度为0.02 nm，系统结构简单，稳定性高［26］。

2.4.2 锁模调制解调法

该法使用多个传感FBG、一个宽带反射器和一个锁模调制器构成一个多模态共轴激光腔，通过改变锁模调制器的频率，将激光腔锁定在不同的模态下，输出不同波长的激光，从而对传感光栅进行寻址［28］，系统如图9所示。缺点:系统分辨率和动态测量范围受锁模结构限制。

图9 锁模解调系统Fig.9 Mode-locked demodulation system

图10 环形腔光纤激光器激射解调系统Fig.10 Erbium-doped fiber ring laser demodulation system

2.4.3 环形腔光纤激光器扫描法

该法是将可调谐FFP置于环形光纤激光器，通过FFP滤波器调节掺铒环形腔工作波长。环形腔由隔离器、可调FFP滤波器、掺铒光纤放大器组成。当FFP透射谱与某个传感光栅反射谱一致时，环形腔才能产生激光，通过检测环形腔输出光强便可解调出传感光栅波长［29］。系统如图10所示。优点:信噪比高，可以实现波分复用;不足之处:应变分辨率不高，只能在某一波长上静态扫描，不能检测振动信号。

2.5 射频探测法

该法将光源发出的光信号调制成一定频率的正弦射频信号来照射传感光栅和参考光栅，通过监测反射回的射频信号强度变化量来实现波长解调。2008年 Dong采用此法实现传感信号解调［30］，系统如图11 所示。

图11 射频探测法解调系统Fig.11 Radio frequency signal measurement system

宽带光源发出的光信号经光电调制器(EOM)调制成一定频率正弦射频信号，经过光栅反射回的光功率信号可表示为:

式中，f为调制频率，m(0＜m＜1)为调制系数，Pr和Ps分别为参考FBG和传感FBG发射的光功率分别为相应的载波光功率，φr和φs分别为两个调制信号的相位。假设宽带光源的光谱较平坦，则两个FBG的调制信号功率相等，即，则输出功率可表示为:

式中:n为光纤折射率，c为光速，ΔL为两个FBG间距离，D为长单模光纤的色散系数，L为长单模光纤的长度。

由以上可知，输出功率Pout与Δφ有关，而Δφ又与传感FBG波长变化量Δλ有关，因此，可通过检测输出光功率变化量解调出波长变化量。优点:成本低，灵敏度可调，可实现温度补偿，能实现高速测量。不足之处:应变分辨率受光源功率强度和调制信号噪声影响较大。

2.6 光栅啁啾解调法

该法用光栅啁啾效应来测量被测参量信息，根据解调机理可分为强度解调法和相位解调法。

2.6.1 强度解调法

强度解调法是将被测参量的变化转换为光栅反射光功率的变化，通过测量啁啾光栅反射光功率来测量被测参量信息。系统如图12所示，经啁啾光栅反射回的窄带光信号，经耦合器输出到光电探测器，功率可表示为为光功率传递系数;ρ(λ)为宽带光源的功率普密度，R(λ)为啁啾光栅的反射率)。

图12 强度型光栅啁啾解调系统Fig.12 Intensity-Modulated demodulation system with chirped FBG

实测过程中，可选用一个功率谱密度相对较平坦的宽带光源，则ρ(λ)为常数，此时探测功率为P=ηρRΔλ。2005年，Dong采用此思想，提出在直角三角形悬臂梁侧面粘贴光纤光栅，通过悬梁臂弯曲效应产生的光栅啁啾效应，使反射带宽产生变化，导致输出光功率发生变化［31］。2004年，刘波等人利用啁啾光栅的类矩形反射谱特性，用其作为带通滤波器选择波长，并结合长周期光纤光栅边沿线性滤波技术，实现指定波长范围内传感波长解调［32］。优点:不受环境温度影响;不足之处:应用范围有限，仅适用于与啁啾效应相关参量测量，灵敏度较低。

2.6.2 相位解调法

该法用啁啾光栅波长与相位延迟呈线性关系，将啁啾光栅作为波长敏感元件的波长解调技术。系统如图13所示，传感光栅反射信号经光纤放大器放大，由环形器进入啁啾光栅，产生与其中心波长相对应的相位延迟。经啁啾光栅反射回的光信号送入光电探测器，实现光电转换。通过相位探测器来比对探测信号相位和参考信号相位，得到相位变化量。因由啁啾光栅决定的常数;λ0为Bragg光栅的初始波长;λ1为Bragg光栅变化后的波长;Ω0为调制频率;n为纤芯有效折射率)，因此，可以通过相位变化量求出波长值，从而实现波长解调。

图13 相位型光栅啁啾解调系统Fig.13 Phase-Modulated demodulation system with chirped FBG

图14 CCD分光仪解调系统Fig.14 CCD demodulation system

2011年，李志全等人采用此法实现准分布式光纤Bragg光栅传感器解调，系统应变测量范围为0～2 000με，温度测量范围为0～80℃，相位变化与被测信号线性度达到0.998［33］。优点:采用全光纤结构、解调速度快、不需要对光强变化进行补偿设计、灵敏度可调、便于实现复用。

2.7 CCD 测量法

该法用衍射光栅将传感光栅反射谱在空间展开，再用CCD同时测出各波长的相对光强，根据光斑在CCD上的不同成像位置，计算出各波长漂移量，系统如图14所示［34-35］。优点:成本低、光能利用率高、响应速度快、抗干扰，可用于静态和动态测量，可实现大容量光栅复用。不足之处:影响波长分辨率的因素较多。

2011年，崔剑针对低分辨率CCD测量FBG值波长时影响解调精度的两个因素:一是受CCD像素数目限制，扫描FBG反射谱获得采样点数有限，精确重构FBG反射普难度较大;二是用特定函数拟合反射谱与FBG实际反射谱差异较大。采用基于FBG实际反射谱构建基函数匹配CCD，测量获得有限测量点，确定FBG峰值波长偏移量［36］。实现了CCD采样点数少、光谱分辨率较低情况下对FBG峰值波长偏移量的高精度测量。

2.8 干涉解调法

这类方法是利用干涉仪将波长变化量转化成相位变化量来实现解调，具体分为以下几种:

2.8.1 非平衡Mach-Zehnder干涉法

该法是利用非平衡Mach-Zender(M-Z)干涉仪将传感光栅波长变化量转换成相位变化量，系统如图15所示［37］。传感光栅反射光经耦合器入射到非平衡Mach-Zender(M-Z)干涉仪，干涉仪两臂长度不相等，其中一个臂的长度使用压电陶瓷(PZT)进行动态调整，从而动态改变臂长差d。干涉仪输出光经光电转换输入相位解调仪，得到输出光相位变化量Δφ，根据，可解算出传感光栅反射波长变化量ΔλB。

图15 非平衡Mach-Zehnder干涉解调系统Fig.15 Unbalanced Mach-Zehnder interferometer demodulation system

图16 Michelson干涉仪解调系统Fig.16 Michelson interferometer demodulation system

优点:响应速度快，分辨率高，多适用于动态测量，可对传感网络解调。不足之处:解调精度非线性，解调范围较小，不适用绝对应变测量，易受外界因素干扰。2008年，张锦龙等人针对该法的不足，采用XPM(交叉相位调制)技术，应用锁相位方法调制M-Z干涉仪信号光相位，避免了使用PZT等机械结构，大大提高了系统可重复性和速度，较好地解决了干涉法解调精度非线性和解调范围较小的问题，系统温度测量精度可达0.1 ℃［38］。

2.8.2 Michelson 干涉解调法

该法利用Michelson干涉仪将传感光栅波长变化量转换成相位变化量，系统如图16所示［39］。传感光栅反射光经两个耦合器入射到Michelson干涉仪，用安装在短臂上的手锯齿电压驱动的压电陶瓷来调解两臂之间光程差，干涉仪输出信号经光电转换、放大、滤波等处理后输入相位计，同时将PZT驱动信号作为参考信号输入相位计，调整驱动信号参数，使两路信号频率相同，此时通过相位计输出值可计算出传感光栅波长值。优点:可用于静态和动态测量，响应速度快，应变分辨率达5.5με，灵敏度为 1.8με，可实现复用传感网络解调。不足之处:测量精度受环境影响较大。

2.8.3 Sagnac 干涉解调法

该法用Sagnac干涉仪将传感光栅波长变化量转换成相位变化量，系统如图17所示［40］。传感光栅反射光经耦合器被分成相等且方向相反两束光，经过保偏光纤产生不同的相位延迟，在相遇点发生干涉，产生与波长相关相位差，通过测量相位差可确定波长，实现解调。

优点:全光纤结构，易于实现小型化，适合静态和动态测量，静态分辨率达2.12με，动态分辨率达稳定性和重复性较好。2009年，张锦龙等人运用此法进行温度测量，平均精度可达0.03℃，准确度 ±0.0℃［41］。2003年，Zhao Dong-hui等人提出用包含线性啁啾光栅的Sagnac光纤环作为干涉仪的解调方案，如图18所示［42］。由于顺时针和逆时针传播的光束在啁啾光栅中的反射位置不同，从而导致两束光的相位差发生变化，且与波长有关，从而实现波长解调。静态分辨率达±4.2με，动态分辨率达辨率和动态范围易调节，线性和稳定性较好。

图17 保偏光纤的Sagnac干涉解调系统Fig.17 Sagnac interferometer demodulation system with polarization maintaining fiber

图18 线性啁啾光栅的Sagnac干涉解调系统Fig.18 Sagnac interferometer demodulation system with chriped FBG

2.8.4 基于光纤偏振分束器和保偏光纤的干涉解调系统

2010年，王葵如等人采用光纤偏振分束器(PBS)和保偏光纤(PMF)中偏振模干涉原理实现光纤Bragg光栅波长解调，系统如图19所示［43］。传感光栅反射的窄带谱经偏振控制器进入保偏光纤，激起两个正交偏振模式，经单模光纤进入偏振分束器，两个模式又激起4个正交偏振模式，发生干涉后输出成两路信号给探测器。输出信号值与传感光栅反射波长成一一对应关系。

图19 基于光纤偏振分束器和保偏光纤的干涉解调系统Fig.19 Sensor demodulation system using PBS and PM

优点:结构简单、稳定性好、检测精度高，波长分辨率＜1 pm，测量精度＜±1 pm，光损耗小，对光源功率要求较低，相对其它干涉解调方案受环境影响较小。

为方便了解各种方法优缺点，这里建立一个较粗糙对照表，如表2所示。

由表2中可看出，边缘滤波法、匹配滤波法、光栅啁啾法、CCD分光仪法适用于解调精度要求不高，动态范围不大的测量，成本较低;可调谐滤波法、光源波长可调谐扫描法、射频探测法、干涉法适合于解调高精度，高频动态信号;可调谐滤波法、光源波长可调谐扫描法、CCD分光仪法、干涉法适用于大容量复用网络解调。

表2 不同解调算法性能对照表Tab.2 Performance comparison of these demodulation method

3 结束语

本文根据解调方法的原理和特点将现有方法归纳为:边缘滤波法、匹配滤波法、可调谐滤波法、光源波长可调谐扫描法、射频探测法、光栅啁啾法、CCD分光仪法、干涉解调法。光纤光栅传感器解调技术虽已取得了很大进展，但仍有许多需要深入研究的地方。

在今后的工作中需要进一步深入研究的问题包括以下几个方面:

(1)更大容量分布式传感网络解调。虽然可调谐滤波法、波长可调谐光源扫描法、CCD分光仪法、干涉法可以实现一定容量的分布式传感网络解调，但还不能满足一些大型工程结构，如桥梁大坝、大型舰船和航天器监测系统需要，这是实现光纤光栅传感监测系统规模化的一个关键。

(2)进一步提高系统解调精度、速度和解调范围。现今一些实时在线监测系统对光纤光栅传感系统的性能指标要求较高，而系统解调精度和测量范围两项指标相互制约，因此，如何采用最优化方法同时提高解调系统各方面性能也是今后研究方向之一。

(3)有效降低解调系统成本，实现产品化。在实际生产过程中，产品成本高低是其能否实用化的一个关键因素。通常器件性能越高，价格也越贵。因此，如何在保证系统性能最优化前提下尽可能降低系统成本，使其实现产品化，也是今后研究方向之一。

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