论M―Z干涉仪的解调技术

【摘要】 光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）的研究和应用一直引起各国学者的广泛关注，在传感领域中也具有十分广泛的应用，特别是用于一些重要的物理参数（如应变、温度、压力、超声波、加速度、强磁场、力等）的准分布式测量。

【关键词】 光纤Bragg光栅 光纤传感 M-Z干涉仪 信号解调

一、M-Z干涉仪解调原理

激光器或其他适宜光源发出的相干光通过3db耦合器分成两个相等的光束，一束为信号臂，另一束为参考臂。外场作用于信号臂，产生的调制信号与参考信号经第二个耦合器耦合形成干涉条纹，再分成两束经光纤传送至光探测器检测，最后经信号处理，电路解调出外界被测信号。

二、相位检测方法

各种干涉都为产生随外界被测信号变化而变化的干涉条纹，只有利用光电探测器检测干涉条纹光强的空间或时间分布才能最终解调出反映外界被测量变化的光相位差。

假设两路光强度相等，根据双光束干涉原理，干涉场光强为：

式中：I0为峰值光强，s（t）为信号光相位调制量，φs，φr分别为信号光和参考光的初相位，ωs，ωr分别为信号光和参考光的频率。

设探测器的光电转换系数为k，则其输出的光电流为：

光相位检测方式同信号光与参考光之间的频率差Δω有关，根据Δω是否为零，可分为零差检测法和外差检测法。

三、非平衡M-Z干涉解调法

1992年，由A.D.Kersey等人提出的非平衡M-Z干涉解调法，如图1所示。其工作原理是：宽带光源发出的光经过耦合器入射到传感光栅上，被反射后送入非平衡M-Z干涉仪，通过干涉仪把Bragg波长（λB）漂移量（ΔλB）转化为相位变化（Δψ（λ））。当输入光波变化时，输出相位变化为：

式中n为光纤的折射率，d为干涉仪的两臂长度差。由上式可见，只要用相位计探测出相位的变化，便可得知波长的移动量，另外，为了抵消直流零点漂移，可以利用一锯齿型电压（由信号源产生）控制压电陶瓷，以调节干涉仪的一个臂，使干涉仪输出为一调制光，以信号源为参考用相位计检测输出信号的相位，因相位计可检测±180°，故波长可检测范围宽。实验表明，此方案具有低于纳级相对应变的传感分辨率，当所检测的应变振源频率为10HZ时，分辨率为2n/（n为纳相对应变），振源频率为500Hz时，分辨率为0.6n。

此方案具有宽带宽、分辨率高等优点。

四、外调制M-Z干涉解调法

外调制M-Z干涉解调原理图如图2所示。

该方案是在非平衡M-Z干涉仪光路中再加一个参考光栅，且在干涉仪的一臂上外加一频率为ω的线性相位调制锯齿波，这相当于在接收到的信号中包括一个外加频率为ω的调制，则传感光栅和参考光栅的反射光强可分别表示为

式中ψs，r（λs，r）=2πnd/λs，r，为干涉仪的臂长差引起的相位差；ψ（t）为随机相位噪声；As，r为信号光、参考光的平均光功率水平，k为M-Z干涉仪的消光系数。Is（λs）和Ir（λr）经探测器和带通滤波后再由相位计处理，即可得到干涉仪的输出光相位变化Δψ=ψs（λs）-ψr（λr）。这样就可以消除ψ（t）的干扰，使之适用于准静态测量。

光纤光栅从发现到广泛的研究和应用，短短几十年中飞速的发展成为重要不可替代的光电子器件，它涉及到光纤通信各个领域，由它构成的无源器件、有源器件结构简单、与光纤连接方便、便于携带，适用于恶劣的工作环境；作为传感元件，它具有传统传感器件无法比拟的优点：稳定性好、调谐速度快、解调装置简单、不受电磁干扰等，所以有着广阔的前景和使用价值。然而光纤光栅传感技术是近年来发展起来的一种更新颖的光纤传感技术，在航空航天、民用建筑、电力、医药等领域有着广泛的应用前景，但是由于发展时间较短，还有许多理论及实际应用问题需要解决。

五、结语

在光纤光栅传感系统中，解调技术是光纤光栅传感系统的关键，直接决定了传感系统的性能，人们发展了很多解调方案。其中干涉法解调方案，以其分辨率高，易于实现多路解调，结构相对简单等优点，故此方案被广泛用于光纤光栅波长移位的检测中。但其稳定性的缺点难以克服，因此今后的研究重点将从稳定性入手，以发挥干涉解调的高精度优势。

参 考 文 献

[1] 陈长勇，乔学光等.光纤光栅传感应用中的波长编码信号解调技术. 光电技术应用[J]，2003，24（2）：121-126

[2] 江毅等，用3×3耦合器的干涉仪直接解调光纤光栅传感器的信号[J]，光学学报，2004，24（11）：1487～1490

[3] 梁明，钱景仁，孙箭. 一种新的光纤布拉格光栅波长移位检测技术 中国激光 2004，31（7）：865～869