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文章编号:0258-7025(2007)05-0688-06用遗传算法从时延特性重构光纤光栅参数穆柯军,周晓军,任国荣,杨健君,周建华,兰 岚(电子科技大学光电信息学院,四川成都610054)摘要 提出了采用遗传算法(G A )结合传输矩阵法从需要的时延特性对光纤光栅进行参数重构的方法。
该方法以时延为目标函数,由光纤光栅参数,包括光栅长度、折射率调制、光栅周期和光栅啁啾,组成种群中的待优化的个体,经过若干代遗传得到最优结果。
用实值编码遗传算法实现了对均匀光纤光栅、啁啾光纤光栅和切趾啁啾光纤光栅参数的重构。
数值仿真结果表明该方法对光纤光栅的时延特性参数重构十分有效。
由斜率为100ps /nm ,最大时延为300ps ,中心波长为1555.2nm 的理想线性时延特性重构出切趾啁啾光纤光栅的参数。
此方法可以有效地从时延信息中提取光纤光栅参数,能够应用在利用光纤光栅时延特性的光控相控阵天线设计中。
关键词 光纤光学;参数重构;时延特性;遗传算法;传输矩阵中图分类号 T N 253 文献标识码 AReconstruction of Parameters of Fiber Gratings from Time -DelayCharacteristics Using the Genetic AlgorithmM U Ke -jun ,ZHO U Xiao -jun ,REN Guo -rong ,YANG Jian -jun ,ZHO U Jian -hua ,LAN Lan(School o f Op to -E lectronic I n formation ,University of E lectronics Science andTechnology o f China ,Chengd u ,Sichuan 610054,China )A bstract A new me tho d of parameter reconstruction fo r fiber g rating s f rom desired time -delay characteristics ispresented by genetic algo rithm (GA )in conjunc tion w ith the tr ansfer matrix method in this paper .T he objectiv e functio n in this method is time -delay of fiber g ra ting s ,and the indiv iduals of population are the parame te rs of fibe r gr atings ,including the g ra ting leng th ,refr ac tive index modulation ,gr ating pe riod a nd g rating chirp .T he optimal so lutio n is o btained through many g ene ratio ns ca lculatio n .T he real -coded genetic alg orithm is used for parame te r reconstruction of unifo rm ,chirped and apo dized fiber g rating s .Numerica l simulating results sho w that the me tho d is very effective fo r parame te r reco nstruction o f fiber g ra ting s accor ding to desired time -delay cha racteristics .A n apo dized chirped fiber gr ating is r eco nst ructed fro m an ideally linear time -delay cha racteristics w ho se slope is 100ps /nm ,max imum time -delay is 300ps and center waveleng th is 1555.2nm .T he method pro po sed can effectively obtain the parameter s of fibe r g rating s fro m time -delay figures ,and can be applied in the design o f optically co ntr olled phased -ar ray antennas based o n the time -delay char acte ristics of fibe r g rating s .Key words fiber o ptics ;parameter reconstruction ;time -delay characteristics ;genetic algo rithm ;transfer matrix 收稿日期:2006-09-29;收到修改稿日期:2007-01-05 基金项目:国防预研基金(DZ0242)资助项目。
光纤光栅传感测量中的交叉敏感机制及其解决方案刘云启郭转运刘志国董孝义摘要交叉敏感问题是光纤光栅传感技术的固有问题，本文从理论上分析了引起交叉敏感的物理机制，较为全面地介绍了几种主要的解决方案，并对其主要特点进行了简单的分析。
关键词交叉敏感；光纤光栅传感器；同时测量The Mechanismand Solutions of Cross-sensitivity of Fiber GratingSensor MeasurementsLiu YunqiGuoZhuanyun Liu Zhiguo Dong Xiaoyi(Institute of Modern Optics ，Nankai University ，Tianjin 300071)Abstract The cross-sensitivity is the intrinsic problem of fiber grating sensors ．This paper describes the physical mechanics and several significant solutions of the cross-sensitivity ．The characteristics of the solutions are also discussed ．Key words cross-sensitivity ；fiber grating sensors ；simultaneous measurements1 引言近年来国内外纷纷开展了对光纤光栅的研究，目前光纤光栅的制作技术已经日趋成熟，在一些发达国家已经进入商品化阶段。
光纤光栅在光通信、带通滤波器、光纤激光器、光传感等领域具有广阔的应用前景，特别是在光传感方面[1]，光纤传感器由于具有不受电磁干扰、灵敏度高、重量轻、结构紧凑、成本低，适于在高温、腐蚀性或危险性环境使用等特点，在工农业生产中具有重要的地位。
光纤光栅传感测量中的交叉敏感研究!吕且妮，张以谟，刘铁根，李川，陈希明，贺家李（天津大学现代光学仪器研究所光电子信息技术科学教育部重点实验室，天津!"""#$）摘要：依据%&’((光栅方程，从理论上分析了光纤光栅应变和温度双参量同时测量中引起交叉敏感的物理机理，对有交叉敏感和无交叉敏感两种情况下的误差进行了分析讨论，并给出了数学表达式)结合实验数据进行了计算，估计了忽略交叉敏感可能带来的误差，同时给出了两种情况下的误差曲线图)关键词：光纤光栅传感器；交叉敏感；误差分析中图分类号：*+$,$),-文献标识码：.文章编号："-/!0$,!#（$""$）"-0"-$10"-近年来，光纤光栅传感器的应用研究倍受关注!究其原因是，光纤光栅传感器是一种波长调制型传感器，传感过程是通过外界参量对布喇格中心波长的调制来获取信息，从而克服了强度调制型传感器必须补偿光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功率波动的弱点!另外，光纤光栅传感器具有不受电磁干扰、灵敏度高、重复性好、重量轻、探头尺寸小、结构紧凑、传输距离远（传感器到解调端可达几公里），适于在高温、腐蚀性或危险性环境下工作，并且多个光纤光栅串联与建筑结构制备在一起，可以实现实时监测，在波分和时分复用情况下，多个光纤光栅只需一根数据总线，就可以实现对物理量的分布式测量等!特点这些特点是其它传感元件无法比拟的!但是光纤光栅传感器对温度和应力都是敏感的，即温度、应力均能引起布喇格光栅中心波长的漂移，当光纤光栅用于传感测量时，很难区分它们分别引起的被测量量的变化，这就是交叉敏感问题!随着光纤光栅制作技术的日益成熟，交叉敏感成了制约光纤光栅传感器实用化的又一重要问题!为此拟就交叉敏感问题，从物理机制上进行探讨，并进行误差分析!!理论分析根据光纤耦合模理论，当宽带光在光纤光栅中传输时，将产生模式耦合，满足布喇格条件!%2$"344!（,）的光被反射!式中：!为光栅周期；"344为导模的有效折射率)由式（,）可知，任何使"344和!发生改变的物理过程都将引起光栅布喇格波长的漂移!对光纤光栅温度#应变传感测量，%&’((波长!%是温度$、应力"的函数，即!%（"，%）&"（"，%）!（"，%）（$）式中："&$"344)应力影响波长#%是由于弹光效应和光纤光栅周期!的伸缩引起的；温度影响波长#%是由于热光效应和热膨胀效应引起的)对式（$）利用*’567&展开式!’&"（""，%"）#（""，%"）(!$"$"8"$!$[]"%&%"，"&""$"(!$"$%("$!$[]%%&%"，"2""$%(!$$"$"$%("$$!$"$%($#$%$"$"8$#$"$"$[]%%&%"，"2""·$"$%(!$$"$"$8"$$!$"[]$%&%"，"&""（$"）$( !$$"$$$("$$!$%$("$$!$%[]$%&%"，"2""（$%）$(…（!）由式（!）可知，引起波长$!%漂移的不单单是$"、%%，还有它们的交叉项及高阶项!高阶项对波长改变的贡献随$%、$"的增大而增大!当$%、$"很大时，波长随!收稿日期：$"",0,,0,9)基金项目：国家自然科学基金（9""#$"$!）和（1//"#""$）；天津市光电子联合研究中心、天津市自然科学基金（",!9",#,,）资助项目)作者简介：吕且妮（,/99—），女，博士生)!!、!!的变化是非线性的，且已从实验上观察到!"!与!"的非线性关系［"］#当!!、!!变化范围不是很大时，（!!）#和（!!）#的高阶项与前面$项相比可以忽略，故式（$）可写为!"!（!，!）$%#!!&%!!!&%!#!!!!（%）式中：%#&$%’%#’’%$%#；%!$$%’%(’’%$%!；%##$$%#’%#%!&’%#$%#%!&%$%!%’%!&%’%!%$%!$%%#（$%’%!&’%$%!）$%%!&!式中：%#为应变灵敏度，是与光纤泊松比、弹光系数和纤芯有效折射率及光纤光栅周期有关的量；%!为温度灵敏度，是与热膨胀系数和热光系数有关的量；%!!为交叉灵敏度，是交叉敏感项的系数，即与温度、应力都有关的量)它实际上反映了在不同的应变（或温度）时，温度灵敏度（或应变灵敏度）不是一个常数，而是随着应变（或温度）的变化而变化，其大小描述了温度灵敏度（或应变灵敏度）偏离常数的程度)对于轴向应变作用时，!!$!()($!$)$时，式（%）可写成!"!（$，!）$%!!$&%#!!&%$!!$!!（*）式中：%#&（"+*+）"!；%!$（’&(）",；%$!$$%%$&!#式中：*,为有效弹光系数，*,$’#,--［*"#-)（*"#&*""）］)#；*""和*"#为弹光系数；)为光纤材料泊松比；’为光纤热膨胀系数，’$"$.$."，(为光纤热光系数［#］，($"’.’.!对温度变化范围不大时交叉敏感项系数%!!为［$］%$!$$%%$%!$（’&*）（"-*+）-#*+($%!%#+#/#+(（0）从式（0）可知，交叉敏感项系数是光栅周期的函数，它与光纤的热膨胀系数’和热光系数(有关，又与光纤的弹光系数*""、*"#和光纤材料的泊松比)有关，因此应变.温度同时作用于光纤时，波长漂移不是应变和温度单独作用时产生的波长漂移的简单迭加，还存在着力学量和热学量的相互作用#这个作用反映为交叉灵敏度，其大小刻划了这种相互作用的程度，这就是交叉敏感项的物理意义所在#实验中通过测定在不同应力（温度）情况下的温度灵敏度（应变灵敏度），交叉项的系数也就随之被确定，从而可获得温度、应力的大小#当光纤布喇格光栅（1!2）受温度和应力分别作用时，光纤光栅波长相应变化为!"!（!，!）$%#!!$"!（"-*+）!!（3）!"!（!，!）$%!!!$"!（$’(）!!（4）!误差分析光纤光栅传感测量是利用外界因素引起光栅中心反射波长的漂移，从而求得外界参量的大小#从式（$）可知，1!2对温度、应力固有的敏感性，从而限制了其实用化)解决这一问题大都基于双波长光纤光栅矩阵运算法［%］的思想)当1!2同时受外界应力和环境温度作用时，应力、温度的求解方程为!!"#式中：!$"""[]#；"$%"!%"!%#!%#[]!；#$"[]!#（5）影响温度、应力测量的因素有$个方面：波长"漂移量测量引入的误差；传感器的特征矩阵"标定引入的误差；交叉敏感及非线性引入的误差$下面分两种情况进行误差分析$!$"1!2受温度、应力同时作用，不考虑交叉项时误差分析当1!2受温度、应力同时作用，且设温度和应力引起的波长变化相互独立，在这种条件下，温度、应力的误差是由测量波长!和特征矩阵"所引起的$其数学表示式为!%+!!［"%+"］［#%+#］（"6）式中：+!!+""+"[]#；+"!%%"!%%"!%%#!%%"[]#；+#!%![]%#)!，"，#分别表示波长变化、特征矩阵、温度、应力测量量的真实值，"!，""，"#为误差值，"#矩阵的元为%!$（%"#%%#!-%#!%%"!&%%#!%%"#+%%"!%%#!）!,&,!&%""%#!-%"#%"#’%""%%#!-,&"#%"#%&"#’（%"#%%#!-%##%%"#）#,!（""）%!$（%#!%&"!-%"!%%#!&%&"!%%#!-%%#!%%"!）!,&,!&%"#%"!-%""%#!&%"#%%"!-,&"·0#%·!!!!"#"$!（""#!"!#$"!#!""#）#%"（!"）%%"!#"""$"!"""#（!#）%"%"""!"!#!"!#!"""$""#!"!"$"!&!#"#!!"!#!"""$!"!"!""#（!%）如果忽略波长测量误差，只考虑特征矩阵误差（且令!!&’%"&’"&’；("&’(&’()*#*（&%!，"；’%#，&）(%"(#(%(）［+］，则相对测量误差的最大值为*!##(&’($*"!"""#(!(""""!#(!"(""""""*·*&)#(("!#"""$#!"""#(*#*（!+）*!&&(&’($*""#"!"*,*"!#"""*,"*-"#"!#(·(#)&(("!#"""$#!"""#(*#*（!.）!/!012受温度、应力同时作用，考虑交叉项时系统误差分析当012受温度、应力同时作用，且考虑交叉项时，决定温度、应力大小的特征方程为!""!#［!"!!］［$"!$］"%（!3）式中：*表示交叉敏感项+%#"!"#"""[]#（",!"）（#!!#）（!4）则温度、应力的误差大小（忽略高阶项"&"#!#，#&"#!&，#&"$!"&’，!!&!"&’）为!$$（"!"!"""$"""!"!"）",%,%!-""!-!5,!""#!!"!"$"-!#!"""）#%"!!$!"""$!$""!",（"!""""$$""""!"#）&$%!%"（!6）!"$（""#!"!"$"!#!""",!"!#!"""$%!%!"""#!"!"）&!（""#!"!#$"!#!""#）#%"!!$""!#$!$!""#!（"!#"""#$""#"!"#）#&%!%"（"7）如果略去波长引入的误差，则相对误差最大值为*!##(&’($*"!"""#(!(""""!#(!"("!""""*·*&)#((#!#"""$"!"""#(·*#*,（*"!""""#$""""""#(）(&(("!#"""$"!"""#(（"!）(!&&(&’($*""#"!"*,*"!#"""*,"*""#"!#(·(#)&(("!#"""$"!"""#(·*#*,（*"!#"""#$""#"!"#(）(#(("!#"""$"!"""#(（""）将式（!+）、（!.）、（"!）和（""）相比较，可以看出式（"!）和式（""）中的第"项为交叉敏感引入的误差，而且随着温度、应力的增大而增大+采用文献［%］中数据，两个光栅的18’99波长分别为!!%!#77:&，!"%4+7:&；特征矩阵元分别为"!#;4/3"<&=>，""#%.+#7<&=>，"!";7/6.<&=%"，""";7/+6<&=%"/文献［#］中"!"#;"/#!?!7$.<&=（>·%"），-""5;7/."?!7$.<&=（>·%"）/利用本文中的误差公式分别计算出应力、温度误差曲线图/图中@AB 表示交叉敏感项（C8DEEAEF:EGHGIGHJ ），特征矩阵误差为!K ，图!为温度#%#7>时，应力误差曲线；图"为应变&%!777%"时温度误差曲线/图!应力误差曲线图"#$%!&’()*+,-.(/#0*((+(-图1温度误差曲线图"#$%1&’()*+,.*23*(/.’(**((4+(-由图可知，当温度、应力很大时，如果忽略交叉项作用，误差将会更大，0’8’LG［.］等用偏振0AM 光纤干涉仪测得·3"%·的实验结果，敏感项系数!!!"和!"!"分别为#"$%&"’()*（+·!"）和#!$,-.’()*（+·!"）$但对于光纤光栅传感测量中的交叉项系数的测定，尚未见报导$!结语从物理机制的角度分析了光纤光栅传感测量中引起交叉敏感产生的原因，并且给出了考虑和不考虑交叉敏感情况下的误差数学表达式$通过误差分析可知，当温度、应力很大时，必须考虑交叉敏感；当温度、应力比较小时，交叉项可以不予以考虑$对于轴向应变，交叉敏感项系数主要依靠传感长度$因此，对于光纤光栅应变仪必须考虑所用的光纤长度$而对于高阶非线性引入的误差有待进一步的分析$总之，交叉敏感问题是光纤光栅传感器的固有问题，在实际应用中必须设法加以解决$参考文献：［!］/01234，50’6(6)07894’)0’4:，;4’<0=/$;3>?1@>0A0)B1C0’84@8?1D E’(FF <?(DG <06<4’<（/HEII ）B4’0>0J(?0)?0K@0’(?3’0<［:］$LMMM NO4?46=0DO 20??，"%%!，!P（Q ）：Q!&#Q!.$［"］廖延彪$光纤光学［;］$北京：清华大学出版社，"%%%$［P ］贾宏志，李育林，忽满利，等$光纤E’(FF 光栅温度和应变的灵敏度分析及应用探讨［:］$激光杂志，!,,,，"%（Q ）：!"#!&$［&］R3;S ，T’DO(KC(3>?:2，U00G10L ，0?(>，V1<D’1K16(?146C08W006<?’(16(6)?0K@0’(?3’00BB0D?<3<16F )3(>#W(J0>06F?O B1C0’F’(?16F <06<4’<［:］$M>0D?’4620??!,,&，P%（!P ）：!%-Q #!%-X$［Q ］:16Y ，;1DO10Y 9，=O3’<CZ S 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文章编号:1671-637Ⅹ(2008)022*******光纤光栅传感系统信号解调新技术研究王 瑜, 乔学光, 傅海威, 禹大宽, 马 超, 张 晶(西安石油大学陕西省光电传感测井重点实验室,西安 710065)摘 要: 信号解调是光纤光栅传感系统实用化所面临的最大难题,其核心问题在于设计高分辨率、低成本的波长检测方案。
总结了光纤光栅传感信号解调的一般原理和技术难点,对常用解调方法进行了分类和归纳。
目前报道的主要解调方法是滤波法、干涉法和可调光源扫描法。
针对不同的解调方法,重点介绍了它们的工作原理及性能特点,评价了其优缺点,并分别给出了它们的实验原理图。
对目前最有应用前景的可调谐F-P滤波法进行了详细的介绍和分析,并加入了对原有方案的改进,用气体吸收池代替原来的参考光栅。
关 键 词: 光纤传感; 光纤光栅传感; 信号解调; 波长编码中图分类号: V243.1文献标识码: AN e w demodulation technologies for fiberBragg grating sensing systemW ANG Y u, QI AO Xue2guang, FU Hai2wei, Y U Da2kuan, M A Chao, ZH ANGJing(Shanxi K ey Laboratory o f Photoeletric Sensing Logging,Xi’an Petroleum Univer sity,Xi’an710065,China)Abstract: Signal dem odulation is one of the m ost com plicated problems in practical application of fiber grat2 ing sens or system,and the core issue lies in the design of a wave2length examination scheme that has higher res olution and lower cost.The general principle and the technical difficulties of the fiber grating sens or system signal dem odulation are summarized,and the comm only2used dem odulation methods are classified.The main dem odulation techniques reported currently are:filter dem odulation,interference scanning dem odulation and tunable s ource dem odulation methods.The principle of operation,characteristics and functions of the methods are discussed,their advantages and disadvantages are analyzed,typical schemes of experiments are given re2 spectively.The tunable F2P filter dem odulation method,which has the widest application prospect,is intro2 duced in detail.We made s ome im provement to the original scheme by using gas cell to replace the original reference F BG.K ey w ords: fiber sens or; Fiber Bragg G rating(F BG)sens or; signal dem odulation; wavelength encode0 引言近年来,在光纤通信迅猛发展的带动下,光纤传感器作为传感器家族中年轻的一员,以其在抗电磁收稿日期:2006210212 修回日期:2006211206基金项目:中国石油天然气集团公司应用基础研究项目(20050719);陕西省教育厅产业化培育项目(05JC23);西安市科技局信息技术专项项目(Z X05041)作者简介:王 瑜(1983-),女,陕西咸阳人,硕士,主要从事光纤传感及信号解调方面的研究。
