基于FBGA光纤光栅解调系统的实时校准方法

张登攀,王 瑨,,王永杰

(1.河南理工大学机械与动力工程学院,河南 焦作 454000；2.中国科学院半导体研究所,北京 100083)

·光电技术与系统·

基于FBGA光纤光栅解调系统的实时校准方法

张登攀1,王 瑨1,2,王永杰2

(1.河南理工大学机械与动力工程学院,河南 焦作 454000；2.中国科学院半导体研究所,北京 100083)

针对海洋仪器高精度、大范围、快速的测温需求,提出基于FBGA(Fiber Bragg Grating Analyzer)的光纤光栅解调方法,并针对其自身温漂现象提出一种基于F-P标准具的波长实时校准方法,进而减小系统误差,提高系统测试精度。通过对系统整体测试,引用实验数据具体说明采用提出的方法可使系统测温重复性绝对误差保持在±0.1 ℃以内,具有与MOI系统(Micron Optics)相当的解调精度。采用本方法的解调系统具有优良的测试特性,同时小型化、低成本的优势使其更具有实用价值。

光纤光栅；FBGA；实时校准；海洋温度

1 引 言

海水温度是反映海水状况最基本的物理量之一,对于温度参数的获取也存在环境因素上的特殊性[1]。与传统传感器相比,光纤传感器具有灵敏度高、动态范围广、可靠性高、成本低、响应速度快等优点[2-3]。光纤传感技术在海洋监测中也具有本征绝缘、成本低廉、组网成阵方便等优势,国内外已开展大量研究工作。如采用特殊形式封装的FBG温度传感器响应时间可达到48.6 ms,优于传统传感器,同时其灵敏度为27.6 pm/ ℃[4]。开展海洋水文微细结构研究时,要求测温传感器具有较高的时间常数和温度灵敏度,同时解调系统必须同时具备高灵敏度、快速响应、高精度等性能。到目前为止,光纤光栅解调方法大体分为干涉法和滤波法两类,但普遍存在解调速度慢、价格高、精度较低等现象[5-8]。用途较为广泛的基于FPGA的解调系统虽能实现高速率、高精度的监测,但其响应的是一系列离散的波长,测量范围较小[9]。

对于实际的海洋环境监测,迫切需要研发一种体积小、成本低、采样速度快、测量范围广、精度高,且便于携带的光纤Bragg解调系统。基于此,本文提出采用一种结构紧凑、重量轻,具有高灵敏度、高分辨率、高动态范围和毫秒级响应时间的FBGA光纤光栅解调方法。此系统可实现对宽带信号的同步测量,且其响应的是连续光谱,这是有别于扫描滤波器的优点所在。在海洋温度监测中,要求测温精度达到±0.1 ℃。实验证明,在某一工作温度下,FBGA波长精度为±11 pm。这对于灵敏度为27 pm/ ℃的传感器要实现±0.1 ℃的高精度测量产生的影响是致命的。基于这种考虑,本文在软件算法和硬件方面综合考虑采用一种基于F-P标准具的实时校准方法,减小FBGA对高精度测温的影响,进而满足系统高精度的测温要求。

2 FBGA工作原理

FBGA工作原理如图1所示。从FBG传感器返回的多波长光谱信号通过光纤输入到FBGA模块的单端口,经准直透镜后照射到体相位光栅VPG(Volume Phase Gratings)进行光谱分离,衍射区汇聚到一个InGaAs探测器阵列上。由控制电路读出信号,经由数据处理单元获得要探测的信息。通过USB接口将原始数据和处理加工过的数据存储在主机里。

图1 FBGA工作原理

3 基于FBGA实时动态校正方法

3.1 波长实时校准方法

波长校准是光纤传感解调系统实现工程化、实用化所必须的,即通过试验建立系统输入和输出之间的某种准确函数关系。采用正确的波长校准方法不仅可以提高系统自身解调精度,还可以有效弥补由于传感器本身非线性所引入的误差[10]。比较常见两种F-P滤波器的实时动态校正方案[11],根据实际应用分析,综合FBGA模块的特点,选择并联型校正方案。

FBGA实时校正方法的核心就是获得较多的参考光栅点,进而获得较高的修正精度；争取更多的测量点,进而使系统更工业化。采用1×2光开关控制1路传感FBG和1路F-P标准具,在不损失测量精度和测量范围的前提下,通过采用时分复用的方式增加了测量点数。本方法选择热稳定F-P标准具作为参考光栅,利用其透射光谱的多个峰值位置,定位待测光栅反射光谱峰值波长。系统框图如图2所示。

图2 实时校正系统结构框图

热稳定标准具实质是一个固定腔长的F-P梳状滤波器,在-5 ℃到70 ℃的工作温度区间之内波长漂移量为6 pm。解调系统在实际测试环境中温度变化最大为10 ℃,所以器件本身的最大波长漂移仅为0.8 pm/ ℃左右,因此可减少高精度控温模块,在增加参考测量点和提高测量精度的同时简化系统结构,降低系统成本。本系统选用的是浦芮斯光电技术公司的F-P标准具,波长范围是1525～1565 nm,自由光谱范围为1.6 nm。ASE光源连接其输入端,光谱仪连接输出端,测试结果如图3所示。

图3 标准具实物图及光谱图

3.2 FBG波长计算方法

在解调过程中,已知所选用标准具的每个透射峰的中心波长真实值分别为A1,A2,…,An,按照从小到大的顺序依次输入配置文件,在软件运行过程中不会被修改。解调出各个峰的中心波长分别为B1,B2,…,Bn,建立FBGA测量值与真实值之间的对应关系,确定每个峰值所对应的真实值。将标准具、FBG并联在光路中,FBGA模块每次扫描采集其光谱数据,计算传感FBG反射光谱相对于F-P标准具的各个峰值的相对位置,根据事先配置文件中已有的波长列表,找出最相邻的两个峰值波长,即当FBG的中心波长出现在F-P标准具参考波长λm和λm+1之间,如图4所示,根据相对索引值以临近原则计算FBG反射光谱的中心波长。

图4 FBG波长计算示意图

将待测传感光栅的波长与相邻的两个F-P标准具参考波长之间近似看作是线性关系,这一近似关系仅是在标准具相邻两峰之间,在这样一个很小的范围之内是比较准确的。FBG的中心波长可分为以下两种情况分别求出。

当FBG波长λ接近λm时,如图4(a):

(1)

当FBG波长λ接近λm+1时,如图4(b):

(2)

以上两式中,λm、λm+1是F-P标准具的参考波长,λ是待测FBG波长,a、b是参考波长所在位置,c是待测FBG波长所在位置,c在a和b之间。此时,FBG波长只与F-P标准具的参考波长有关,不再受FBGA模块自身温漂的影响,只需对FBG通道和参考通道进行实时同步采集和峰值检测,由FBG波长所在位置和相邻两个参考波长及位置计算得出,此种方法可消除FBGA温漂现象对系统解调精度的影响,从而提高系统的解调精度和稳定性。

4 测试实验与分析

4.1 增敏光纤布拉格光栅传感器温度特性测试

光纤Bragg光栅传感器是温度解调系统的重要组成部分,其性能的好坏直接影响到整个解调系统的效果。裸光栅的温度灵敏度较低,会直接影响系统对外界环境变化的感应。在本实验中采用文献[4]中增敏封装的FBG温度传感器进行温度特性测试。

实验中,将增敏封装的FBG1、FBG2温度传感器放入恒温水浴槽,改变水浴槽温度,每升温5 ℃并稳定一个小时记录一次数据,实验结果如表1所示。

表1 温度特性测试误差

对比表1中数据,测得数据结果与实际温度相差不大,且读数稳定。对表1中数据进行拟合,由图5可看出,线性度较好,且斜率接近为1。

图5 温度特性测试结果

4.2 重复性测试

评价解调系统性能指标中,重复性是其中重要的一项。重复性一般体现的是设备本身的固有误差。

本系统的重复性实验分为升温和降温稳定性实验。第一步,进行升温稳定性实验。采用FBG1温度传感器,将其放入恒温水浴槽,每升温5 ℃并稳定一个小时记录一次数据。间隔5 h,重复上述实验。两组实验数据如表2所示。

表2 升温实验数据

第二步进行降温稳定性实验。同样采用FBG1温度传感器,将其放入恒温水浴槽,每降温5 ℃并稳定一个小时记录一次数据。间隔5 h,重复上述实验。两组实验数据如表3所示。

表3 降温实验数据

四组实验的绝对误差如图6所示。

图6 重复性实验绝对误差

从表2、3和图6可以看出,无论是升温还是降温实验,系统对温度测量的绝对误差都保持在±0.1 ℃以内,说明系统具有较好的稳定性。

4.3 解调实验结果分析

为了验证该解调系统的精度,选取6个不同波长的温度传感器,分别用MOI解调仪SM125系列和文中方法进行温度特性对比测试实验,每升温5 ℃并稳定一个小时记录一次数据。实验温度数据如表4和表5所示。

对比以上两组数据可知:在同一设定温度、同一传感器下,比较所测温度与设定温度之间的平均误差,FBGA与MOI解调方案相差不多；在同一设定温度下,随着传感器波长的变化,比较所测温度与设定温度之间的平均误差,FBGA与MOI解调方案也相差不大。由此说明,采用此种校准方法的FBGA解调系统具有与MOI相当的解调精度,由系统原因造成的测量误差很小。

表4 SM125测试数据

表5 FBGA测试数据

5 结 论

F-P标准具的多波长参考,可以达到pm级别的实时波长校准精度,这是一种理想的校准波长参考。采用该种实时校准方法,系统波长检测精度不再受FBGA解调模块自身温漂特性的影响,而且在一定程度上也消除了由传感器非线性带来的测量误差。FBGA解调模块具有有别于普通F-P扫描滤波器的连续光谱扫描特性,同时具有快速、大动态范围、高精度的测试特性,使其能够满足海洋环境监测的特殊需求,同时在桥梁、大坝及电力设备等环境监测领域也具有广阔的应用潜力。

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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

国家自然科学基金(No.41276094);中国科学院战略性先导科技专项A(No.XDA110-40201)项目资助。

张登攀(1975-)，男，副教授，博士，主要从事精密测量技术及仪器的研究。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