基于微波光子滤波器的CFBG温度不敏感的应变测量系统

📚 使用须知

• 本博客内容仅供学习参考
• 建议理解思路后独立实现
• 欢迎交流讨论

---

task : 基于微波光子滤波器的CFBG温度不敏感的应变测量系统

引言

该研究提出了一种基于微波光子滤波器(MPF)的啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)解调方法。在所提出的MPF中，两个相同的啁啾FBG被嵌入以形成迈克尔逊干涉仪。当对其中一个啁啾FBG施加应变时，由于啁啾FBG的色散，其波长移动会产生信号传输延迟的变化，从而导致迈克尔逊干涉仪的光程差。因此，引入了MPF中心频率的变化。

可以通过监测MPF的频率响应来探测由应变引起的啁啾FBG的波长漂移。此外，环境温度的影响可以通过另一个啁啾FBG进行补偿。 实验结果表明，MPF对应变的频移响应灵敏度为1.9 MHz/με，测量范围为0~1167 με。此外，在30℃-100℃的温度范围内，系统保持不变。

系统结构与工作原理

光源与调制：系统使用宽带放大自发辐射（ASE）光源，经过滤波后，进入一个由两个完全相同的CFBG构成的迈克尔逊干涉仪。其中一个CFBG作为传感头（CFBG1），另一个作为温度参考（CFBG2）。

转换过程：干涉仪输出的光被一个相位调制器加载微波信号，然后经过一段色散补偿光纤（DCF）。

检测与解调：携带了应变信息的时间延迟，最终在光电探测器处被转换为微波域的频率变化，并由矢量网络分析仪（VNA）测出。

MPF中心频率

应变→频率的映射

应变灵敏度

由于两个CFBG物理特性完全相同且处于同一干涉仪结构中，当环境温度变化时，两者产生的波长漂移和随之引起的时延变化几乎完全一致。因此，温度变化对干涉仪两臂的相对时延差 Δτ 影响极小，从而保证了MPF的中心频率对温度不敏感，仅对应变响应。

实验验证与性能分析

图2(a)为双CFBG干涉仪的反射光谱，显示出清晰的周期干涉条纹；

图2(b)为对应的MPF频率响应曲线。在3.5GHz处出现一个清晰的通带，表明系统成功构成了一个MPF。120MHz的3dB带宽决定了系统分辨频率微小变化的能力，带宽越窄，频率检测越灵敏。

图3(a)为10分钟内多次扫描的MPF频率响应曲线叠加图；

图3(b)为对应的中心频率和峰值功率随时间变化的波动情况。25.8MHz的频率波动和0.6dB的功率波动均很小。

图4(a)显示随着应变增加，MPF通带向低频方向连续平移；应变引起CFBG波长红移，通过色散效应转化为光程增加，最终导致MPF中心频率下降。

图4(b)为中心频率变化与应变的线性拟合曲线。

图5：通过OSA观测不同应变下干涉光谱的移动，发现FSR有微弱变化。用OSA直接看光谱变化，其识别极限受限于OSA的分辨率（0.02nm），导致最小可识别应变高达417με，且灵敏度很低（-0.05pm/με）。
而基于MPF的方法通过测量频率这一射频参量，利用高精度的VNA，实现了更高的分辨率和灵敏度。

图6(a)显示在30°C-100°C变化中，MPF通带几乎不动；图6(b)为中心频率随温度变化的散点图。

第一类方案（相移FBG+OEO）：灵敏度高，但系统极其复杂、成本高昂，且稳定性挑战大。

第二类方案（宽带光源+FBG）：简化系统和成本，但牺牲了灵敏度，并且没有解决温度敏感，性能提升有限。

本文方案：利用了CFBG的两个属性：宽谱和色散。通过一个对称的迈克尔逊干涉仪结构，实现了温度不敏感。