1.1     光纖光柵傳感器陣列的指標(biāo)

當(dāng)設(shè)計(jì)傳感器測(cè)量方法時(shí)，應(yīng)該仔細(xì)考慮光纖光柵的特征。一些指標(biāo)是通用的，幾乎針對(duì)所有應(yīng)用；另外一些指標(biāo)可能是為滿足一些特殊應(yīng)用而定制的。下面所指出的是主要針對(duì)應(yīng)變和溫度測(cè)量的，測(cè)量其他的參數(shù)像壓力、位移或濕度需要特殊的要求。

1. 傳感器波長(zhǎng)

傳感器波長(zhǎng)指的就是光纖光柵反射譜中的尖峰的中心波長(zhǎng)。這些峰值波長(zhǎng)隨著應(yīng)變和溫度的改變而改變。當(dāng)溫度升高或應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)，光纖光柵傳感器的峰值波長(zhǎng)變長(zhǎng)。 REF _Ref175970405 \h \* MERGEFORMAT 圖2.15：如果一個(gè)峰值波長(zhǎng)1535.050nm的傳感器從25℃ 加熱到35℃，傳感器的峰值波長(zhǎng)將增加到1535.150nm（每℃變化10pm）。大多數(shù)光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)工作在50nm窗口范圍內(nèi)，從1520nm到1570nm。

2．傳感器帶寬

傳感器帶寬就是每個(gè)光纖光柵反射峰所對(duì)應(yīng)的帶寬。理論上光纖光柵的帶寬越小測(cè)量精度越高，但從實(shí)際的制作工藝水平和可行的精度來(lái)看，最合理的值應(yīng)該在0.2nm和0.3nm之間，通常取0.25，如 REF _Ref175970684 \h \* MERGEFORMAT 圖2.16所示。此外一般的解調(diào)設(shè)備的峰值探測(cè)算法通常是在假設(shè)帶寬為0.25nm和譜形為光滑的高斯型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來(lái)的，帶寬過(guò)寬會(huì)降低波長(zhǎng)測(cè)量的準(zhǔn)確性。當(dāng)然其他的帶寬和峰型也是可行的，但對(duì)波長(zhǎng)準(zhǔn)確性可能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

圖2. \ 光纖光柵反射光譜寬度

3．反射率

光纖光柵的反射率越高，返回到測(cè)量系統(tǒng)的光功率就越大，相應(yīng)的測(cè)量距離就越長(zhǎng)。而且反射率越高，帶寬較窄，光柵越穩(wěn)定。如果反射率越小，噪聲對(duì)其的影響就越大，對(duì)于波長(zhǎng)查詢儀的工作要求就越高，影響測(cè)量精度。為了獲得最好的性能，推薦光柵反射率應(yīng)該大于90％。但是，單純的強(qiáng)調(diào)高反射率的同時(shí)，也要同時(shí)考慮邊模抑制。也可以說(shuō)，反射率決定信號(hào)強(qiáng)度，邊模抑制決定了信噪比。

圖2. 光纖光柵的反射率

4．邊模抑制

對(duì)一個(gè)兩邊有許多旁瓣的光纖光柵傳感器，光纖光柵查詢儀會(huì)錯(cuò)誤的把某些旁瓣當(dāng)作峰值。所以一個(gè)好的傳感器譜圖除了要具有一個(gè)光滑的峰頂外，光滑的兩邊也是非常重要的?？刂七吥?，提高邊模抑制比需要光纖光柵的制造商有較高的工藝水平。但它同時(shí)也是決定光纖光柵傳感性能較重要的一個(gè)參數(shù)，直接決定了信噪比。

在光纖光柵反射率大于90％的情況下，邊模抑制比應(yīng)高于15dB，高于20dB是更理想的。選用高質(zhì)量的全息相位掩模板，切趾可以平滑傳感器的光譜，消除兩邊的旁瓣，確保邊模不會(huì)干擾峰值的探測(cè)。通常的切趾在短波長(zhǎng)方向仍然會(huì)存在許多旁瓣，切趾補(bǔ)償技術(shù)（使光柵的平均折射率波長(zhǎng)一致）是一個(gè)已經(jīng)被證明了的可行的方法，可以消除短波長(zhǎng)方向的旁瓣，實(shí)現(xiàn)整個(gè)光譜上平滑。

目前，光柵寫(xiě)入技術(shù)的進(jìn)步和光學(xué)精細(xì)度的提高已可以制造出邊模抑制比超過(guò)20dB的光纖光柵，完全滿足了光纖光柵傳感器的要求。下圖出示了一個(gè)經(jīng)過(guò)高斯切趾后的光纖光柵的反射譜圖，其中 圖2.18未進(jìn)行切趾補(bǔ)償， 圖2.19進(jìn)行了切趾補(bǔ)償。

5．傳感器的長(zhǎng)度

傳感光柵的長(zhǎng)度決定了測(cè)量點(diǎn)的精確程度，理論上光柵的長(zhǎng)度越小，測(cè)量點(diǎn)越精確。而實(shí)際制作光柵時(shí)要綜合光柵的各種參數(shù)，光柵越短，反射率越低，帶寬越寬。很短的光柵，其反射率和帶寬都很難達(dá)到要求，因此要在三者之間做一個(gè)中和。所以，對(duì)于0.25nm的帶寬，推薦傳感器光柵的物理長(zhǎng)度應(yīng)為10mm，這個(gè)長(zhǎng)度適合于大多數(shù)應(yīng)用。當(dāng)然通過(guò)改變帶寬，不同的長(zhǎng)度也是可以滿足一定的要求。

6. 傳感器波長(zhǎng)間隔

傳感器波長(zhǎng)間隔就是兩個(gè)光纖光柵的中心波長(zhǎng)的差。光纖光柵傳感器陣列包含了大量傳感光柵，因此必須保證能“尋址”每一個(gè)光柵，即根據(jù)獨(dú)立變化的中心波長(zhǎng)確認(rèn)每一個(gè)光柵。為此，要求每個(gè)通道內(nèi)各個(gè)光柵的中心波長(zhǎng)λ1，λ2，…λn及其工作范圍Δλ1，Δλ2，…Δλn，互不重迭，如 REF _Ref175971152 \h \* MERGEFORMAT 圖2.20所示。所以其中有兩個(gè)方面需要考慮：傳感光柵之間的緩沖區(qū)（buffer）和每個(gè)傳感光柵的探測(cè)范圍Δλ。而探測(cè)范圍Δλ是由測(cè)量范圍決定的，測(cè)量范圍越大，探測(cè)范圍就越大。例如若測(cè)量范圍為±3000με，探測(cè)范圍就為6nm。每個(gè)傳感器都需要具有足夠的波長(zhǎng)漂移的空間以捕捉所期望的應(yīng)變和溫度的變化范圍。

7. 緩沖區(qū)（buffer）

兩相鄰傳感光柵之間必須留有一個(gè)緩沖區(qū)以保證第一個(gè)光柵的最大波長(zhǎng)與第二個(gè)光柵的最小波長(zhǎng)不相交。此外，光纖光柵制作過(guò)程中制造誤差是必須被考慮的，一些廠商所標(biāo)出的傳感器中心波長(zhǎng)可能存在超過(guò)+/-0.5nm的誤差，最新的光纖光柵自動(dòng)化寫(xiě)入技術(shù)可以使該誤差有一個(gè)數(shù)量級(jí)的優(yōu)化，大約為+/-0.05nm。現(xiàn)在合理需要是+/-0.1nm，這個(gè)誤差也必須被加到緩沖區(qū)中以確保設(shè)計(jì)出合適的間隔。

例如：大橋構(gòu)架上的結(jié)構(gòu)體需要4個(gè)傳感器。傳感器1、2和3牢固的粘在大橋構(gòu)架上測(cè)量應(yīng)變（和溫度）。傳感器4只測(cè)量溫度。這個(gè)構(gòu)架上最大的期望應(yīng)變是+/-1,000με，最大的溫度范圍從-40℃到+80℃。

表2. SEQ 表2. \* ARABIC 2 大橋架構(gòu)的光纖光柵傳感器設(shè)置

通常，推薦對(duì)所有陣列傳感器波長(zhǎng)的間隔為5nm，這可以滿足大多數(shù)應(yīng)用范圍，每個(gè)陣列可以提供8-10個(gè)傳感器。當(dāng)更多的傳感器被需要時(shí)，一個(gè)方法就是減小波長(zhǎng)間隔(但要注意測(cè)量范圍)。例如，如果一個(gè)陣列中的所有傳感器對(duì)應(yīng)變的敏感相似，相鄰傳感器間的相對(duì)波長(zhǎng)變化就非常的小，則波長(zhǎng)間隔可以被大大的減小。

所以，要綜合傳感器數(shù)、傳感器波長(zhǎng)間隔、緩沖區(qū)和測(cè)量范圍幾個(gè)方面，以達(dá)到所需的要求。

8. 退火

制作光纖光柵時(shí)，激光照射使得光纖玻璃進(jìn)入到一種亞穩(wěn)狀態(tài)，然后才形成了光柵，因此光柵在較高的溫度中會(huì)隨時(shí)間退化。這種退化發(fā)生的程度取決于光纖和光柵的類型，在非氫載光纖中寫(xiě)入的所有類型光柵都可以在室溫下保存幾年。人們提出一種加固光纖光柵的方法—退火處理，即在超過(guò)光柵器件使用的溫度下進(jìn)行加速老化的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)退火處理后的光纖光柵雖然中心波長(zhǎng)有微小的變化，但是其溫度和應(yīng)力的特性仍然保持良好的線性關(guān)系，并沒(méi)有影響光纖光柵的傳感特性。同時(shí)退火處理可以消除光柵的結(jié)構(gòu)缺陷，是制作性能穩(wěn)定的光纖光柵的重要步驟，可以保證光纖光柵正常工作15年以上。

1.2     光纖光柵解調(diào)技術(shù)

信號(hào)檢測(cè)是傳感系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，傳感解調(diào)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是一個(gè)信息（能量）轉(zhuǎn)換和傳遞的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它能準(zhǔn)確、迅速地測(cè)量出信號(hào)幅度的大小并無(wú)失真地再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間的變化過(guò)程，待測(cè)信息（動(dòng)態(tài)的或靜態(tài)的）不僅要精確地測(cè)量其幅值，而且需記錄和跟蹤其整個(gè)變化過(guò)程。

在傳感過(guò)程中，光源發(fā)出的光波由傳輸通道直接(或經(jīng)連接器)進(jìn)入傳感光纖光柵，傳感光纖光柵在外場(chǎng)(如應(yīng)變、壓力、溫度場(chǎng)等)的作用(靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)或時(shí)變)下，對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制；接著，帶有外場(chǎng)信息的調(diào)制光波被傳感光纖光柵反射(或透射)，并進(jìn)入接收通道而被探測(cè)器接受解調(diào)并輸出。由于探測(cè)器接受的光譜包含了外場(chǎng)作用的信息，因而從探測(cè)器檢測(cè)出的光譜分析及相關(guān)變化，即可獲得外場(chǎng)信息的細(xì)致描述。相比而言，基于反射式的傳感解調(diào)系統(tǒng)比較容易實(shí)現(xiàn) ^{REF _Ref175972341 \r \h \* MERGEFORMAT [25]}。

用光纖光柵構(gòu)成的傳感系統(tǒng)中，傳感量主要是以波長(zhǎng)的微小移動(dòng)為載體，所以傳感系統(tǒng)中應(yīng)有精密的波長(zhǎng)或波長(zhǎng)變化檢測(cè)裝置。對(duì)光纖Bragg光柵的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明，FBG的溫度和應(yīng)變靈敏度很小，對(duì)中心波長(zhǎng)移位Δλ的檢測(cè)精度直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度。因此解調(diào)技術(shù)，即精確測(cè)量波長(zhǎng)漂移的技術(shù)是光纖Bragg光柵傳感的關(guān)鍵技術(shù)之一。

理想的探測(cè)方法一般應(yīng)達(dá)到下面的一些要求：

1. 測(cè)量范圍大，并且分辨率高。在很多實(shí)際應(yīng)用中，常常要求波長(zhǎng)漂移量的探測(cè)范圍達(dá)到納米級(jí)，波長(zhǎng)漂移測(cè)量分辨率為亞皮米到幾個(gè)皮米，這樣動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍常要求為10³：1~10⁵：1。

2. 成本低。光纖光柵傳感探測(cè)系統(tǒng)的成本與傳統(tǒng)的電傳感器相比要具有競(jìng)爭(zhēng)力。

3. 復(fù)用性要好。光纖光柵傳感探測(cè)系統(tǒng)需能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)復(fù)用，這樣可以進(jìn)一步降低整個(gè)傳感系統(tǒng)的成本。

對(duì)光纖光柵反射波長(zhǎng)解調(diào)的傳統(tǒng)手段是使用光譜儀、單色儀等儀器。但是這類儀器不僅價(jià)格昂貴而且體積大，構(gòu)成的系統(tǒng)缺乏必要的緊湊性和牢固度，在實(shí)際應(yīng)用中是極不現(xiàn)實(shí)的。為了開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且實(shí)用的高分辨率光纖光柵傳感器信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了許多研究工作，并取得了較大的進(jìn)展。

關(guān)于光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)探測(cè)方法已有很多報(bào)道，根據(jù)波長(zhǎng)漂移量探測(cè)器件的工作原理，這些探測(cè)方法大致可以分為如下幾類：邊緣濾波器法、可調(diào)濾波器法、干涉掃描法。下面幾個(gè)小節(jié)將詳細(xì)的介紹這幾種方法。

1.1.1         邊緣濾波器法

邊緣濾波器法中輸入波長(zhǎng)漂移量和輸出光強(qiáng)度變化量呈線性關(guān)系，這種方法是通過(guò)探測(cè)濾波器的輸出光強(qiáng)度來(lái)計(jì)算輸入波長(zhǎng)漂移量的變化，原理如圖  所示。測(cè)量范圍和探測(cè)分辨率呈反比例關(guān)系。

用邊緣濾波特性實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器波長(zhǎng)解調(diào)的基本原理如 圖2.22所示。其中，BBS 為自行研制的寬帶光源。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)3 dB耦合器進(jìn)入傳感光柵。由傳感光纖光柵反射后形成窄帶光譜，再經(jīng)耦合器均分成兩路光束。其中一束經(jīng)線性濾波器到達(dá)光電檢測(cè)器。另一束直接檢測(cè)，以補(bǔ)償由于光源強(qiáng)度波動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的影響。由于光纖的端面反射，使得光源的光譜對(duì)后端光電檢測(cè)器件造成很大的影響。因此，需要將不用的光纖端面浸入折射率匹配液(IMG)中，用于減少端面反射。

M. A. Davis等人利用波分耦合器的特殊傳輸特性來(lái)測(cè)量光纖光柵的波長(zhǎng)變化。波分耦合器在1520～1560nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，耦合器的效率與波長(zhǎng)基本呈線性關(guān)系，因而可以利用該特性來(lái)測(cè)量波長(zhǎng)的變化，測(cè)量系統(tǒng)原理如 REF _Ref175973283 \h \* MERGEFORMAT 圖2.23所示。寬帶光源發(fā)出的光被傳感光柵反射回來(lái)后進(jìn)入耦合器，耦合器的出射光分為兩束(這兩束光的功率與入射光的功率在同一坐標(biāo)系下形如X) ，兩束出射光通過(guò)光電探測(cè)器變成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后消除光功率變化的影響，最后得到波長(zhǎng)的變化量。這種方法的電子處理電路極為簡(jiǎn)單，但由于受器件傳輸特性的影響測(cè)量分辨率較低。該方法對(duì)于一些對(duì)測(cè)量分辨率要求不是很高的場(chǎng)合提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能價(jià)格比很高的測(cè)量方案。

（1） 利用長(zhǎng)周期光纖光柵實(shí)現(xiàn)邊緣濾波器

劉波等人利用長(zhǎng)周期光纖光柵作為邊緣濾波器，通過(guò)測(cè)量透射光強(qiáng)，推知傳感光纖光柵波長(zhǎng)的變化。實(shí)驗(yàn)采用的長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜如圖2.24所示。它是用自制的幅度掩模板和在248 nm的準(zhǔn)分子激光器寫(xiě)入而成的，其中心波長(zhǎng)為1558 nm。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2.25所示。測(cè)量得出的長(zhǎng)周期光纖光柵的透射率與傳感布拉格光柵的波長(zhǎng)成良好的線性關(guān)系，擬合度達(dá)0.9914。這種邊緣濾波的方案測(cè)量波長(zhǎng)分辨極限可達(dá)0.002 nm，性能優(yōu)于光譜儀。選擇反射率更高的布拉格光柵和更好的探測(cè)器還可以達(dá)到更高的精度。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)溫度及彎曲比較敏感，因此，必須采取去敏措施，如采用新工藝制備長(zhǎng)周期光纖光柵，或采用控溫措施等，使其達(dá)到較高的穩(wěn)定度。但也可以利用長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)彎曲敏感的特性，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中調(diào)整長(zhǎng)周期光纖光柵的彎曲程度，使布拉格光柵的工作波長(zhǎng)落在長(zhǎng)周期光纖光柵的線性區(qū)域內(nèi)。當(dāng)然，在調(diào)整的過(guò)程中，會(huì)引起長(zhǎng)周期光纖光柵透射率的下降，可以根據(jù)需要加以控制。

（1） Sagnac環(huán)鏡邊緣濾波解調(diào)方法

多年來(lái)，人們對(duì)光纖環(huán)鏡濾波器（即Sagnac環(huán)鏡干涉儀進(jìn)行了深入地研究，與此同時(shí)，對(duì)于光纖環(huán)鏡濾波器中考慮光纖的雙折射效應(yīng)和將雙折射光纖加入環(huán)鏡濾波器之中的情況也做了相應(yīng)的研究 。將一段高雙射光纖加入環(huán)鏡濾波器中，并利用其作為邊緣濾波器件，應(yīng)用于光纖光柵傳感系統(tǒng)中，取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。是一種基于光強(qiáng)檢測(cè)的全光纖解調(diào)技術(shù)，可對(duì)傳感光柵(FBG)的反射譜進(jìn)行波長(zhǎng)解碼。因此，本方案可做為光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)等的波長(zhǎng)解調(diào)方案，具有很高的實(shí)用性.

高雙折射光纖Sagnac環(huán)鏡濾波器HSF (high birefringence fiber Sagnac loop mirror Filter) 由一個(gè)3 dB耦合器、一段高雙折射光纖HBF (high birefringence fiber)以及用于連接的普通單模光纖SM F(single mode fiber)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如 圖2.26所示。信號(hào)光進(jìn)入3 dB耦合器后被分為兩束，它們分別沿順是地針和逆時(shí)針在環(huán)路中傳播。因?yàn)楦唠p折射光纖存在角度為H的軸向扭轉(zhuǎn)，因此當(dāng)光在高雙折射光纖中傳播時(shí)，其偏振態(tài)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，其等效于高雙折射光纖的快軸或慢軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度，相當(dāng)于信號(hào)光進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)變換，如 圖2.26所示。信號(hào)光在高雙折射光纖中傳播時(shí)，可以分解成為沿快、慢軸上的兩個(gè)分量，這兩個(gè)分量的上光波的傳播速度是不一樣的。同時(shí)由于光在高雙折射光纖中傳播時(shí)，在兩個(gè)偏振方向上會(huì)產(chǎn)生相位差。最后，順時(shí)針傳播的光與逆時(shí)針傳播的光在3dB耦合器處相干，產(chǎn)生類似于非平衡M -Z干涉儀的濾波效果。

用HSF 做為邊緣濾波器的光纖光柵傳感系統(tǒng)的基本原理如 圖2.25所示。其中，BBS 為寬帶光源。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)3 dB耦合器進(jìn)入傳感光纖光柵。由傳感光纖光柵(FBG)反射后形成窄帶光譜，再經(jīng)耦合器均分成兩路光束。其中一路I₁作為參考光，直接進(jìn)行檢測(cè)，以補(bǔ)償由于光源強(qiáng)度波動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的影響。另一路光經(jīng)HSF濾波后，再經(jīng)耦合器再分為兩路，一路用光譜儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，另一路用光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于光纖的端面反射，使得光源的光譜對(duì)后端光電檢測(cè)器件造成很大的影響。因此，需要將不用的光纖端面浸入IMG (折射率匹配液)中，用于減少端面反射。

因此，通過(guò)測(cè)量2I₂/I₁，即可根據(jù)環(huán)鏡濾波器的透射率曲線，得到相應(yīng)λ的值。

該高雙折射光纖Sagnac環(huán)鏡的透射率與傳感FBG的波長(zhǎng)成良好的線性度，其線性擬合度達(dá)0.9956。由于本方案采用全光纖設(shè)計(jì)，因此，其解調(diào)速度取決于光電探測(cè)器的帶寬以及后續(xù)信號(hào)處理器如牽制放大器的頻響帶寬、AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度等。如使用的PIN光電二極管的帶寬為1GHz，AD轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換速率為10μs，則該方案可以達(dá)到數(shù)十kHz頻響的解調(diào)速度，遠(yuǎn)高于目前機(jī)械調(diào)控原理組成系統(tǒng)的解調(diào)速度。也相應(yīng)地克服了由于機(jī)械部件等帶來(lái)的穩(wěn)定性及重復(fù)性差的缺點(diǎn)。

高雙折射光纖Sagnac環(huán)鏡干涉的干涉原理是利用高雙折射光纖的雙折射效應(yīng)，使同一段光纖中沿不同方向傳播的光產(chǎn)生相位差，進(jìn)而產(chǎn)生干涉效應(yīng)。由于正反方向光在環(huán)鏡中的光程是一樣的，因此這種干涉儀的輸出僅與高雙折射光纖的特性(有效雙折射率)有關(guān)，而與用于傳導(dǎo)的單模光纖的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。因而與一般非平衡M-Z干涉解調(diào)方法相比，這種高雙折射光纖Sagnac環(huán)鏡干涉解調(diào)方法具有更高的穩(wěn)定性。

1.1.1         可調(diào)諧濾波器法

可調(diào)諧濾波器可以用于測(cè)試光纖光柵的波長(zhǎng)漂移，其主要原理是可調(diào)諧濾波器的輸出是光纖光柵輸出譜和可調(diào)諧濾波器的卷積，如 REF _Ref175974555 \h \* MERGEFORMAT 圖2.28所示，當(dāng)光纖光柵輸出譜和可調(diào)諧濾波器光譜完全匹配時(shí)，可調(diào)諧濾波器的輸出為1，也就是輸出達(dá)到了最大值。通過(guò)測(cè)量這個(gè)最大點(diǎn)和可調(diào)諧濾波器相應(yīng)的波長(zhǎng)變化，就可以求出光纖光柵的波長(zhǎng)移動(dòng)量。測(cè)量的分辨率主要取決于光纖光柵反射信號(hào)的信噪比，以及可調(diào)諧濾波器和光纖光柵的帶寬。這種方法具有較高的波長(zhǎng)分辨率和較大的工作范圍。

反射型系統(tǒng)的原理是通過(guò)PZT驅(qū)動(dòng)匹配光纖光柵進(jìn)行掃描，調(diào)節(jié)其反射中心波長(zhǎng)。當(dāng)接收光強(qiáng)增大，達(dá)到與傳感光柵中心波長(zhǎng)完全匹配時(shí)，根據(jù)探測(cè)器的輸出，記錄此時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的大小，就可以得到被測(cè)量的大小，如 圖2.29所示。該方法的精度受光源穩(wěn)定性和外界干擾的影響較大，同時(shí)對(duì)探測(cè)器也提出了較高的要求。

針對(duì)這一問(wèn)題，Davis等提出了透射型的測(cè)量方案，即將光電探測(cè)器置于接收透射光的位置，通過(guò)監(jiān)測(cè)透射光強(qiáng)(當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到最小值時(shí))得到傳感光柵中心反射波長(zhǎng)。該方法避免了測(cè)量微弱光強(qiáng)信號(hào)的局限性。

反射式與透射式方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比：反射式的精度受光源穩(wěn)定性和外界干擾的限制，對(duì)探測(cè)器的精度要求較高，而這些問(wèn)題在透射式中是不存在的。另外由于反射式比透射式多了一個(gè)耦合器，光能損耗較大，因此實(shí)際應(yīng)用中常采用透射式系統(tǒng)。

（1）   可調(diào)諧Fabry-Perot濾波器

在光纖通信中，可調(diào)諧Febry-Perot濾波器在光放大器中由于具有特別的噪聲濾除特性而變得越來(lái)越重要。Febry-Perot可調(diào)諧濾波器的一個(gè)顯著的特點(diǎn)是其工作范圍較大，一般可達(dá)數(shù)十納米。

1993年，由Kersey等人提出可調(diào)光纖Febry-Perot濾波器解調(diào)法。對(duì)單個(gè)光柵采用閉環(huán)模式，對(duì)復(fù)用系統(tǒng)的光柵使用掃描模式，如 圖2.31所示。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)隔離器進(jìn)入傳感光柵陣列，反射光信號(hào)經(jīng)耦合器到達(dá)可調(diào)諧Febry-Perot濾波器，Febry-Perot濾波器工作在掃描狀態(tài)，鋸齒波掃描電壓加在壓電元件上調(diào)整腔間隔，使其窄通帶在一定范圍內(nèi)掃描。當(dāng)它與傳感光柵的布拉格波長(zhǎng)相匹配時(shí)，則讓傳感光柵反射的信號(hào)通過(guò)。因此，可由Febry-Perot濾波器驅(qū)動(dòng)電壓2透射波長(zhǎng)關(guān)系測(cè)得FBG反射峰位置。由于透射譜是反射譜與Febry-Perot濾波器透射譜的卷積，能使帶寬增加，分辨率減小。為此，在掃描電壓上加一個(gè)小的抖動(dòng)電壓，可大大提高系統(tǒng)的分辨率。輸出經(jīng)混頻器和低通濾波器后測(cè)量抖動(dòng)頻率，在信號(hào)為零時(shí)，所測(cè)值為光柵的反射峰值波長(zhǎng)。由于FFP調(diào)諧范圍很寬，可實(shí)現(xiàn)多傳感器的解，因此，該系統(tǒng)可用于靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)信號(hào)的測(cè)量，但高精度FFP成本太高，濾波損耗較大。

圖2.31出示了用一個(gè)可調(diào)F-P濾波器同時(shí)檢測(cè)多個(gè)光纖光柵的方案，F(xiàn)-P腔由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，且施加周期性的電壓用以改變腔長(zhǎng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)確定區(qū)域的波長(zhǎng)進(jìn)行周期性的濾波掃描。若選用的F-P濾波器具備FBG相當(dāng)?shù)膸?，施加的電壓信?hào)為均勻掃描著的周期性的鋸齒波，受其調(diào)制，濾波器在自由程內(nèi)進(jìn)行波長(zhǎng)掃描時(shí)的波長(zhǎng)范圍能夠覆蓋傳感光柵及其經(jīng)誘導(dǎo)后漂移了的全部光纖光柵的反射峰值波長(zhǎng)波長(zhǎng)，且來(lái)自傳感光柵的信號(hào)濾波后經(jīng)線性光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，放大后輸入示波器。此時(shí)光電轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)-P濾波器和鋸齒波信號(hào)發(fā)生器以及示波器組成的檢測(cè)系統(tǒng)將執(zhí)行光纖光譜儀的功能，它不僅可以對(duì)測(cè)量范圍內(nèi)各FBG傳感元的波長(zhǎng)信息進(jìn)行依次查詢，而且將所測(cè)波長(zhǎng)信息與漂移前波長(zhǎng)信息進(jìn)行比較，得到各傳感元的波長(zhǎng)漂移量，利用漂移量與所測(cè)量間的變化關(guān)系，便可判斷對(duì)應(yīng)傳感元件所感測(cè)物理量變化的大小，達(dá)到解調(diào)目的。

1981年，Chang指出，可調(diào)諧聲光濾波器具有更大的可調(diào)諧波長(zhǎng)范圍（可以高達(dá)幾百個(gè)微米），因此，如果單光源或者組合光源的帶寬能夠滿足一定的要求，那么可調(diào)諧聲光濾波器在FBG傳感器的大數(shù)量復(fù)用方面將具有巨大的潛力。1993年，Xu等人建立了一個(gè)這樣的探測(cè)系統(tǒng)，如 圖2.32所示，RF信號(hào)由一個(gè)RF發(fā)生器產(chǎn)生，可調(diào)諧聲光濾波器的輸出波長(zhǎng)是RF信號(hào)頻率的函數(shù)，可以由RF頻率的變化來(lái)改變。在實(shí)際中，通過(guò)對(duì)應(yīng)用的RF頻率抖動(dòng)和探測(cè)接收到的信號(hào)的幅度調(diào)制狀況來(lái)給出一個(gè)反饋信號(hào)，可以使得濾波器的平均波長(zhǎng)值鎖定傳感FBG的瞬時(shí)波長(zhǎng)值。當(dāng)濾波器的平均波長(zhǎng)和傳感FBG的瞬時(shí)波長(zhǎng)一致時(shí)，幅度調(diào)制為0，由具有低頻方波信號(hào)輸入的VCO(壓控振蕩器)疊加一個(gè)直流分量信號(hào)來(lái)調(diào)制平均頻率，這也就是調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的方法。這種系統(tǒng)已用于溫度測(cè)量并得到了的溫度分辨率，因?yàn)槭褂玫臑V波器的帶寬比較寬（一般有幾個(gè)納米），所以測(cè)量分辨率不太高。1993年，Dunphy等人利用帶寬為0.2nm和工作波長(zhǎng)范圍約120nm的聲光濾波器，得到了小于1pm的高分辨率，顯然，這個(gè)器件很適合于FBG傳感系統(tǒng)，但是關(guān)于它的長(zhǎng)期穩(wěn)定性人們?cè)谶M(jìn)行多方面的研究。

如圖2.34所示，來(lái)自傳感光柵的光波進(jìn)入非平衡掃描邁克爾遜干涉儀，其短臂纏繞在受鋸齒波信號(hào)驅(qū)動(dòng)的壓電陶瓷上，輸出信號(hào)經(jīng)探測(cè)器接收后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，適當(dāng)處理后與壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別作為待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)一起輸入相位計(jì)。調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值以及直流電瓶的大小，使干涉信號(hào)變化的頻率與參考信號(hào)的頻率一致，此時(shí)相位計(jì)所顯示的值與施加在傳感光柵上的待測(cè)應(yīng)變的大小有關(guān)。該傳感系統(tǒng)的分辨率為5.5nε，靈敏度為1.8°/με。若對(duì)光源信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制，用時(shí)分復(fù)用技術(shù)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，那么該系統(tǒng)具備查詢和解調(diào)光纖光柵網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的能力。