天津大学光纤传感技术研究部分最新进展
第37卷第3期 光电工程V ol.37, No.3 2010年3月Opto-Electronic Engineering March, 2010 文章编号：1003-501X(2010)03-0001-06
天津大学光纤传感技术研究部分最新进展
刘铁根，刘琨，江俊峰，孟卓，姚晓天，陈信伟，张以谟
( 天津大学精密仪器与光电子工程学院，光电信息技术科学教育部重点实验室，天津 300072 ) 摘要：本文介绍了天津大学在光纤传感技术研究领域的最新进展。主要为：基于白光干涉实现了非本征光纤法珀和FBG并行解调，法珀腔长测量误差0.81 μm，FBG波长测量误差14 pm；基于光纤有源内腔结构实现了乙炔气体传感，灵敏度优于100 ppm；基于保偏光纤实现了分布式传感，灵敏度可达6 cm；基于边缘滤波器开发了光纤光栅解调仪，波长分辨力可达1.2 pm，扫描速率超过200 kHz；采用全光纤OCT技术实现了牙齿模型的二维、三维扫描；实现了光纤陀螺光纤环的温度、振动等动态特性检测。
关键词：光纤传感；光纤法珀；保偏光纤；边缘滤波；光纤陀螺
中图分类号：TN253 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2010.03.001
Partial Latest Progress of Fiber Sensing Techniques in Tianjin University
LIU Tie-gen，LIU Kun，JIANG Jun-feng，MENG Zhuo，
YAO Xiao-tian，CHEN Xin-wei，ZHANG Yi-mo
( Key Laboratory of Opto-electronics Information and Technical Science, College of Precision Instrument &
Opto-electronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China )
Abstract: The recent progress of fiber sensing techniques in Tianjin University is introduced in this paper. Parallel demodulation for Extrinsic Fabry-Perot Interferometer (EFPI) and Fiber Bragg Grating (FBG) sensors is realized based on white light interference, with EFPI measurement precision of 0.81 μm and FBG wavelength measurement precision of 14 pm. Concentration detection of acetylene is realized by using intra-cavity fiber laser with sensitivity less than 100 ppm.
Distributed sensing based on polarization maintaining fiber is realized with resolution of 6 cm. FBG demodulation equipment is developed by using edge filter, with wavelength resolution of 1.2 pm and scan rate more than 200 kHz.
Two-dimension and three-dimension scanning of tooth model is realized by using all-fiber optical coherence tomography (OCT). And the dynamic characteristics like temperature and oscillation detection of fiber ring are realized for fiber optic gyroscope.
Key words: fiber sensing; fiber Fabry-Perot; polarization-maintaining fiber; edge filter; fiber optic gyroscope
0 引 言
天津大学光电信息技术科学教育部重点实验室依托“光学工程”国家一级重点学科，曾获得一系列国家级研究计划的资助，有价值3 500万元实验平台和大型仪器设备。天津大学长期从事光纤传感技术及相关检测技术方面的研究工作，在非本征光纤法珀和FBG并行解调[1-2]、气体传感[3]、保偏光纤分布式传感[4-6]、应变/温度传感[7-8]、光学相干断层扫描[9-10]以及光纤环动态特性检测[11]等诸多方面均取得了显著成绩。相继
收稿日期：2009-12-20；收到修改稿日期：2010-01-18
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)(2010CB327800)；中国博士后科学基金资助项目(20090460690)；国家自然科学基金(60627002，60577013，30770597)；天津市应用基础重点项目(06YFJZJC00400)；教育部博士点新教师基金(200800561020，
200800561022)；天津大学青年教师培养基金(TJU-YFF-08B47)
作者简介：刘铁根(1955-)，男(汉族)，天津人。教授，博士，973计划“新一代光纤智能传感网与关键器件基础研究”项目首席科学家，主要研究工作是光纤传感及光电检测。E-mail: tgliu@https://www.wendangku.net/doc/895470553.html,。
光电工程 2010年3月 2 承担国家自然科学重点和面上基金、863计划、国家计委重大专项、天津市重大攻关、省部级基金等二十余项科研课题，获省、部级科技进步一等奖两项，二等奖四项，三等奖三项，并拥有多项国家发明专利。目前，天津大学光纤传感技术在前期研究基础上已获得国家973计划项目立项，有着更加高远的发展前景。 1 非本征光纤法珀和FBG 并行解调
通过结构健康监测系统，可对结构长期工作状况进行评估，防止事故的发生。光纤传感器则可克服这些困难，非常适于结构健康监测系统。其中非本征光纤法珀(EFPI)和光纤Bragg 光栅(FBG)传感器是该领域最有前景的两类传感器。
结构健康系统要求能进行双参数或多参数参量，如应变和温度的同时测量。目前已有一些光纤传感器的组合，它们利用传感器对不同测量物理量的灵敏度差异构成传感矩阵。其中，EFPI 和FBG 传感器组合由于两类传感器在各自的实际应用中均获得成功而最具前景。
我们所提出的并行解调方案基于一套Michelson 干涉仪，综合了低相干干涉和Fourier 变换谱技术。EFPI 传感器将应变或温度信息转化为法珀腔长度，因此测量问题转为EFPI 的法珀腔腔长的解调。EFPI 的低相干干涉解调系统由宽带光源和Michelson 型解调干涉仪组成。宽带光源发出的光波输往EFPI 传感器，经EFPI 后返回的信号随后输往解调干涉仪。宽带光源具有短的相干长度，从而使干涉条纹限制在一小区域内，并且干涉在零光程差取得最大值。在解调干涉仪的零光程差处，干涉仪输出0级干涉峰值。通过扫描解调干涉仪的光程差，可对EFPI 传感器引起的光程差进行补偿，当合成光程差为零时，干涉条纹再次出现峰值，称为1级干涉峰值。合成光程差为解调干涉仪的光程差与EFPI 传感器法珀腔长的两倍之和。因此，根据解调干涉仪输出中出现两次干涉峰值的距离即可求得EFPI 法珀腔长。FBG 传感器将应变或温度信息转化为波长的漂移，因此测量问题转为FBG 的波长解调。FBG 返回的是窄带信号，可以看作一窄带光源，这与红外Fourier 变换谱技术的应用相似。Fourier 变换谱技术利用一套Michelson 干涉仪，通过扫描Michelson 干涉仪的光程差得到干涉图，该干涉图与光源谱构成成Fourier 余弦变换对。因此，得到干涉图，即可通过Fourier 变换得到光源谱，对于FBG 即可求得反射波长。
可以看到两种解调方法均需要扫描干涉仪，基于这一点可以构造并行解调系统如图1。对应于不同的应用场合，我们提出了三种处理方法。当只有EFPI 传感器需要解调，可以用低相干干涉解调直接获得法珀腔长；当只有FBG 传感器需要解调，则使用Fourier
变换谱方法；当EFPI 和FBG 需要同时解调时，由于EFPI
的低相干干涉条纹与FBG 的干涉图重叠，需要采用我们
提出的一种特殊信号分离方法。考虑FBG 的反射谱是窄
带，则其在空域中的干涉条纹持续可见范围大，为～1
cm 量级，EFPI 在低相干干涉条纹在空域中持续可见范
围小，在～100 μm 量级，因此在空域中我们可以从重叠
的干涉条纹中提取出仅与FBG 相关的干涉条纹用作
FBG 波长解调。同时EFPI 作用谱在谱域内宽带信号，
而FBG 在谱域内是窄带信号，因此可以从重叠谱中提取
出仅与EFPI 相关的谱数据计算EFPI 法珀腔长。
利用两个FBG 和一个EFPI 做了并行解调实验，实验结果表明EFPI 法珀腔长测量误差0.81 μm ，FBG 波长测量误差14 pm 。
2 气体传感系统
近年来，国内外在基于光纤传感技术的气体检测方法研究这方面做了大量工作，提出了多种有效的气体传感方法，并广泛应用于实际检测中，极大的提高了气体传感灵敏度。常用的近红外吸收光谱气体传感方法包括Fourier 变换光谱法、差分吸收法、波长调制/二次谐波法、F-P 腔法、声-光可调谐滤波器法、衰
图1 非本征光纤法珀和FBG 并行解调系统Fig.1 Parallel demodulation system for EFPI and FBG
第37卷第3期刘铁根等：天津大学光纤传感技术研究部分最新进展3荡腔法以及有源内腔法等。作为一种新型光纤气体传感方法，有源内腔法具有极高的气体传感灵敏度，同时还具有同时检测多种气体的能力。基于该方法的气体传感系统如图2所示。
天津大学采用基于光纤有源内腔结构的混合气体传感系统进行有害气体传感实验，实验现场如图3所示。我们使用灵敏度增强和波长调制两种方法进行了乙炔等气体浓度传感实验，并结合波长扫描技术进行了乙炔气体传感实验[12]。乙炔气体最终实验
结果，如表1所示。
鉴于光纤传感在国家安全、国防建设、
重大工程等多个领域的广阔应用前景以及有
源内腔吸收光谱法进行气体传感的前瞻性与
可行性，天津大学将开展进一步深入研究。
目前，整套系统尚未集成化、仪器化，离实
际应用特别是野外环境应用还有一定的距
离。因此，实现系统的小型化、仪器化无论
是对于人们的生活、生产还是军事、科技都
具有十分重要的意义。
3 保偏光纤分布式传感
白光保偏光纤分布式传感器利用光纤受横向应力等外部扰动时，引起保偏光纤内部双折射方向的变化，进而引起偏振耦合现象，而且功率耦合强度与外部扰动符合一定的数学关系。因此，偏振耦合现象可以应用于分布式传感之中。光保偏光纤分布式传感的基本原理是利用补偿干涉仪平衡保偏光纤中偏振模色散引起的激发模式和耦合模式间的光程差，发生干涉，利用干涉条纹分析受力点的大小及空间位置。图4为白光迈克耳逊干涉法分布式应力传感的原理图。根据麦克尔逊干涉仪两臂光程差和保偏光纤双折射?n b，可求得受力点位置l，而根据干涉条纹的可见度，可得到耦合强度的大小，进而得到应力大小。
FBG 1 FBG n Coupler
EDFA
EDF
WDM
980 nm
pump
Isolator
Tunable
attenuator
Tunable
filter
Circulator
Coupler
DAQ
Optical switch
InGaAs
PIN
Input fiber Output fiber
Gas cell
C-lens
Gas cell n
Gas cell 1
图2 实验方案原理框图
Fig.2 Principle diagram of experiment
图3 气体传感实验现场
Fig.3 Experimental site of gas sensing
Tunable filter
Photodetector
光电工程 2010年3月
4 图5为实验干涉图，图中A 点是由于施加外力引起的，B 、C 、D 各点的干涉是由于被测光纤发生弯曲、扭曲等引起的。各点距光纤出射端位置分别为3.032 m 、1.019 m 、0.206 m 和0.072 m 。
如果不关心受力的大小，而只需要判定受力点位置，则图1即为位置传感器系统。这种位置传感具有结构简单，定位准确、抗电磁干扰、低成本等特点。一般情况下，温度变化只会引起输出偏振态的变化，而不会产生明显的偏振耦合。但可以通过一定的系统结构，由温度变化引起施加在光纤上的应力变化。采用热敏材料制作保偏光纤夹具，沿光纤分布，每个夹具都将形成一个耦合点，当温度变化时，夹具的形状将发生变化，使光纤发生形变，根据力致耦合强度的变化，计算出温度的变化。实际上形成一个准分布式温度传感器。
4 应变/温度传感
基于CPLD 的高速光纤Bragg 光栅解调仪，其结构简图如图6。ASE 宽带光源发出的宽带光谱入射到光纤Bragg 光栅后，满足布拉格条件的光波被反射，反射回窄带光谱信号。对光纤Bragg 光栅施加外界作用如应变、温度变化等，则FBG 波长会发生相应的改变，该波长变化量可以通过解调系统检测FBG 的反射光谱得到。通过预先标定光纤Bragg 光栅波长的偏移与待测物理量的数据模型，得到待测物理量的信息。
其实质为对反射光中心波长的偏移进行解调[13]。无源比例解调的原理是利用线性滤波的光波透过率变化特性来对FBG 中心波长的位移解调，它的构成如图7所示。在线性滤波器的工作范围内，两路输出光谱光强比值依赖于输入窄带波的中心波长值，因此由输出光信号强度差可以反推出波长信息，同时利用双路光电探测进行差分运算可消除光源功率波动的影响。此种方法所用器件少，结构简单，功率损耗低，适于构建小型化光纤光栅解调仪。
无源比例解调系统的核心器件是线性滤波器。线性滤波器需要满足响应灵敏度大、在工作范围内保持较高线性度等要求，本系统选用单通道CWDM 作为系统的线性滤波器。当反射窄带光信号的中心波长发Coupling l Analyzer
Input O v e r l a p Detector
Movable mirror Stable mirror
图4 白光迈克耳逊干涉仪应力传感器原理
Fig.4 Stress sensor principle of White Michelson interferometer 干涉主极大 A
B C D D ′ C ′ B ′ A ′
图5 滤波处理后的干涉图 Fig.5 Interferogram after filter processing
Strain and temperature Broadband light
source
FBG Optical signal processor Demodulation system Display
Electronics signal processor Detector 1Detector 2
Linear filter
FBG
Coupler Data acquisition
and processing 图6 光纤Bragg 光栅传感解调装置
Fig.6 Demodulation device of fiber Bragg grating sensing 图7 基于边缘滤波器的光纤光栅解调仪示意图Fig.7 Schematic diagram of fiber grating demodulation
device based on edge filter
Broadband light source ?λB
第37卷第3期 刘铁根 等：天津大学光纤传感技术研究部分最新进展 5生偏移时，其对应光路的透射率及发射率随之发生单向偏移，从而
经过测量线性滤波器输出的两路光功率P1、P2随之变化，即可确
定FBG 反射光的中心波长λB 的漂移。
基于CPLD 的高速光纤Bragg 光栅解调仪可实现参数：采用USB 接口传输，解调范围1 534～1 544
nm ，采样速率为200 kHz ；解调仪本身分辨力可达1.2 pm 。
通过图6所示的实验系统，我们可以得到在不同波长范围内的
解调分辨力，通过比较，我们将整个波段分为1 535.4～1 535.9 nm ，
1 536.0～1 536.9 nm ，1 537.0～1 540.9 nm 及1 541.0～1 542.8 nm 四个线性度较好的区域，每个区域内的分辨力接近，具体数据如表2所示。
5 光学相干断层扫描
全光纤偏振不敏感OCT 系统，其系统结构如图8所示，系统采用SLD 光源，中心波长1 310 nm ，带宽50 nm ，相干长度15 μm ，在牙齿内部可以获得约10 μm 的轴向分辨力。通过解调干涉信号的包络便可得到样品深度方向的一维结构。再加上采用步进电机驱动一维位移平台带动样品相对GRIN lens 发生位移实现横向扫描，便可获得样品的二维结构信息。图9为人恒离体牙实物图及其二维OCT 图像。
通过采集多行二维OCT 图像并利用三维重建算法，获得了离体牙三维OCT 图像，图10是人恒离体牙实物图及其三维OCT 图像。
基于光学相干层析(OCT)技术，研制了全光纤口腔龋齿检测系统。研究了利用OCT 方法检测由于牙齿内部脱矿导致的牙齿光学特性参数的变化规律，并以此来对龋齿、特别是早期龋齿进行诊断和控制。此方法对于龋齿的早期诊断、治疗和预防具有重要的作用。
6 光纤陀螺光纤环动态特性检测
光纤环是光纤陀螺(Fiber Optic Gyro, FOG)的传感核心，它的缠绕质量好坏直接决定光纤陀螺的精度。目前，传统的光纤环检测方法(例如凭借消光比来评判保偏光纤环的优劣)不能完全反映出光纤环的缠绕质
Sample
Data acquisition 图8 全光纤偏振不敏感OCT 系统原理图
Fig.8 All-fiber polarization-insensitive OCT system
图9 人恒离体牙实物及二维OCT 图像
Fig.9 Real tooth and its two-dimension OCT image 图10 人恒离体牙实物图及其
三维OCT 图像 Fig.10 Real tooth and its three-dimension OCT image
表2 不同波段的波长分辨力 Table 2 Wavelength resolution of different band Wavelength/nm Input optical power -10.5 dBm 1 535.4～1 535.9 >30 pm 1 536.0～1 536.9 20 ～30 pm 1 537.0～1 540.9 15～20 pm 1 541.0～1 542.8 10～15 pm
量，具有局限性。天津大学针对传统二维光纤环温度瞬态响应数学模型的先天不足，首次提出三维光纤环温度瞬态响应数学模型的建立方法，此模
型能够分析传统分析方法无法分析的复杂
的光纤环敏感轴轴向不对称温度梯度造成
的热致非互易性。此检测方法无需将光纤
环置于最终陀螺成品阶段就能够全面表征
光纤环的缠绕质量。
光纤环温度瞬态特性检测平台如图
11所示，此平台将光纤环熔入经过严格标
定的光纤陀螺系统之中，对其施加多种温
度激励来检测它的温度瞬态特性性能。 7 总 结
天津大学在光微流体生物传感、气体传感、保偏光纤分布式传感以及应变/温度传感等领域开展了研究工作，并取得了丰硕成果。基于白光干涉实现了非本征光纤法珀和FBG 的并行解调；进行了乙炔气体传感实验，灵敏度优于100 ppm ；基于保偏光纤实现了分布式传感，灵敏度可达6 cm ；基于边缘滤波器开发了光纤光栅解调仪，波长分辨力可达1.2 pm ，扫描速率超过200 kHz ；基于全光纤OCT 技术实现了牙齿模型的二维、三维扫描；实现了光纤陀螺光纤环的三维动态特性检测。天津大学将在973计划项目的支持下，继续开展光纤传感领域的相关理论和技术的研究工作，为提升我国在传感及光电子领域中的自主创新能力、增强我国信息产业的国际竞争力、促进国民经济的快速可持续发展做出更多更大的贡献。
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5 结 论
本文提出了利用光子计数调制方法提高OTDR测量的方法，研究表明将光子计数调制技术应用于单光子光时域反射测量系统可有效消除量子起伏的影响，测量结果的信噪比显著提高。这种高信噪比的光子计数调制方法能够提高OTDR测量的动态范围与时间分辨率，应用于单光子传感和量子成像的相关研究。
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