1、 ：光纤光缆技术与应用石磊，涂兴华，单正友，等 基于边缘滤波法检测的光纤光栅声波传感研究 光通信研究，（）：，（）：基于边缘滤波法检测的光纤光栅声波传感研究石磊，涂兴华，单正友，王战（南京邮电大学 电子与光学工程学院 光电传感工程研究中心，南京 ）摘要：针对裸光纤光栅在声波作用下的应变灵敏度过低导致难以检测到有效反射波长变化的问题，文章提出以光纤光栅纵向传感为模型，并在光栅周围涂上一层厚度远超光纤内径的低杨氏模量圆柱状涂覆层，以增加光纤光栅的应变灵敏度，并用相移光栅反射谱的线性区作为边缘滤波法边缘来提高激光检测的灵敏度，利用传输矩阵法仿真分析光栅反射谱及激光反射率曲线。仿真结果表明，声波纵向传
2、感模型的应变灵敏度要优于横向传感模型，且低杨氏模量的涂覆层可以显著提高光栅的应变灵敏度，在频率低于 的声波作用下，涂有聚氨酯涂覆层的光纤光栅纵向传感灵敏度达到了 ，是裸光纤光栅的 倍，结合相移光栅反射谱线性区综合灵敏度提升 倍，有效地提升了光纤光栅在声波检测方面的灵敏度。关键词：光纤布拉格光栅；声压；涂覆层；纵向传播；相移光栅；边缘滤波法中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；引言光纤布拉格光栅（，）因其体积小、抗电磁干扰和成本低等优点被广泛应用于传感与通信领域。在探测声波信号时，由于光纤光栅本身石英材质的高杨氏模量特性，使得其对声波的反应灵敏度比较低，等人研究发现：裸光纤光栅在
3、 高压下的中心波长漂移只有 。一般声波无法达到如此高的声压，因此仍需要新的方案来提高光纤光栅的声波探测灵敏度。为了提高 的声波传感灵敏度，可以从两个角度出发：一是改变光栅的应变灵敏度，等人将 的一端附着于低杨氏模量的振膜上，另一端固定，利用声波对振膜产生的振动使 发生拉伸变化从而提高灵敏度；刘云启和 等人用聚合物材料封装 ，压力灵敏度提高了个数量级；等人对 一侧进行抛光处理，改变其波导特性，实验结果表明灵敏度提升了一个数量级；将 表面包覆一层低杨氏模量涂覆层，收稿日期：；修回日期：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）作者简介：石磊（），男，安徽马鞍山人。硕士，主要研究方向为光纤通
4、信及传感技术研究。通信作者：涂兴华，副教授。：.年第期总第 期光 通 信 研 究 （）研究表明，低杨氏模量的涂覆层可以有效提高声学灵敏度，横向应变灵敏度提高 倍。二是从探测方法出发，使用高动态、高分辨率和高信噪比的探测方法也可以提高声波传感的灵敏度，边缘滤波法利用 的反射谱线性区将波长信息转化为光功率信息，通过优化光栅结构使光栅反射谱拥有更大的斜率和线性度，从而获得更优的探测效果。虽然 在声波探测方面已有一些研究应用，但对声波在光栅纵向的传播形式的研究分析却较少，为了进一步探究 在声波探测方面的灵敏度，本文通过对 声学特性的分析，以 横向与纵向两个不同传感方向作为模型，仿真计算并分析了种涂覆层
5、材料对 受到声波作用而产生应变的增敏效果。以最优的结果再结合边缘滤波法实现了反射波长的动态探测，并分析了均匀光栅、切趾光栅以及相移光栅反射谱线性区的斜率、带宽和反射率差等特性在利用边缘滤波法时带来的不同探测效果。光纤光栅声波传感原理声波传输模型根据耦合模理论，的反射波长表示为 ，（）式中：为有效折射率；为光栅周期。当两者受到外界参量影响而发生变化时，光纤光栅的输出波长就会随之发生变化，变化量为 ，（）式中：为波长漂移量；为周期变化量；为有效折射率变化量。声波是一种动态机械应力波，用声压来表达声波，其表达式为 （），（）式中：为声波的振动幅值；为声波的角频率；为时间。当横向作用于光纤上时，产生的
6、应变为（），（）式中：为光纤泊松比；为光纤的杨氏模量。应变大小与成正比。而当 被封装一层厚度远超光纤的聚合物涂覆层时，受到声压作用时的周期与有效折射率的变化如下所示，：横向受压时：（），（）（）（），（）纵向受压时：，（）（），（）式中：为涂覆层的泊松比；为涂覆层的杨氏模量；.与 均为光栅的光弹系数。根据传输矩阵法，将光栅分成等份的均匀光栅，计算每段均匀光栅的传输矩阵，将矩阵相乘，最终得到聚合物涂覆层作用下整个光栅的波长反射率谱图。边缘滤波法对于静态压力等的探测，可以使用光谱仪等仪器测量光栅的反射波长从而反演外界信息，但声波作为一种动态机械应力波，作用在光栅上时产生的应变也是高速动态变化的，而
7、光谱仪难以实现高动态、高精准度的测量，所以需要一种实现光栅反射波长动态测量的方法。边缘滤波法是将外界参量变化转化成窄线宽激光功率大小变化的方法，可实现高分辨率、高信噪比及高动态的测量。将可调谐窄线宽激光光源的输出波长设置在 反射峰的斜率最大处，通常在反射谱半高处，当 所处外界参量发生改变时，中心波长就会发生漂移，由于激光处于光栅反射峰斜边处，中心波长的变化量将直接转化为光功率的变化量，使用光电探测器探测输出的激光功率大小，再以示波器显示，就可以将声波信号转化成电压信息，从而实现 的波长探测，如图所示。图边缘滤波法示意图 仿真与计算涂覆材料增敏根据计算，裸光纤光栅在纵向上的声压灵敏度只有 ，为了
8、提高光栅的应变灵敏度，在光栅表面涂上一层低杨氏模量涂覆层以达到增敏效果，选用硅橡胶、聚氨酯、环氧树脂与硬聚氨酯石磊 等：基于边缘滤波法检测的光纤光栅声波传感研究种材料作为涂覆材料，表所示为材料特性参数。表不同材料特性参数 裸光纤光栅硅橡胶聚氨酯环氧树脂硬聚氨酯杨氏模量 泊松比 模拟的均匀光栅长度均为，折射率调制深度，将聚合物涂覆层以圆柱的形状在光栅周围涂敷固化，涂覆层的外径应该远超光 纤 的 内 径 ，选 择 聚 合 物 外 径 为。根据 的分析，当声波波长接近或小于光栅长度时，光栅受到声波时的反射谱就会产生啁啾或者不敏感的现象，如图所示。这是因为，当声波的波长与光栅长度相当时，光栅上的每个区
9、域受到的声压大小不再相等，而是随着声波周期大小不一，经由仿真计算，声波的波长应至少为光栅长度的 倍以上才能基本保证声压在整个光栅纵向上的受压平等，如图所示。图声波波长为 图声波波长为 设置声压从 逐步增大，选择声波波长在 以上，即声波频率小于 的频段，分别计算横向与纵向受压情况下，反射波长的最大漂移量，如图和所示。由图可知，声波纵向传感灵敏度要优于横向，杨氏模量为 ，泊松比为的聚氨酯材料增敏效果最好，纵向上 反射波长漂移量图横向声压作用 图纵向声压作用 增益可以达到.，是裸光纤光栅的 倍，而横向传播的只有.，远不及纵向传感灵敏度。在纵向受压传感模型中，灵敏度主要受杨氏模量的影响，越低的材料，相
10、对灵敏度就越高。而在横向受压传感模型当中，灵敏度不仅受到的影响，还受到泊松比的影响，如环氧树脂与硬聚氨酯的横向传感曲线几乎重合，这是因为，虽然硬聚氨酯的更低，但环氧树脂的泊松比相对更小，导致二者综合性能相当。边缘滤波法仿真分析以灵敏度更高的纵向受压为模型，模拟的窄线宽激光波长设置在反射谱上升沿的半高处以保证线性度。分别用 、切趾光栅以及相移光栅来作为边缘滤波结构，其反射谱如图所示。图中，实线段为边缘滤波法最佳区域，此区域线性度极佳，可以有效反应外界信息。模拟的种光栅长度均为，折射率调制深度 ，切趾光栅与相移光栅的折射率调制深度 。为保证激光线宽远小于反射谱线宽，设置窄线宽激光的线宽为 以保障探
11、测分辨率，初始波长设置在光栅反射谱半高处。为种光栅涂敷聚氨酯（，）涂覆层作增敏处理。模拟窄线宽激光反射功率在以上种光栅结构光通信研究 年第期总第 期图种光栅结构的反射谱及其线性区 反射谱线性区下随声压变化而变化的特性，得到窄线宽激光反射功率曲线，最终截取线性度在 的声压区间，结果如图所示。图不同光栅结构下激光反射率曲线 图中相关数据汇总如表所示。表种光栅结构探测结果数据 声压区间 相对斜率反射率差值可用探测带宽 最大误差 综合灵敏度倍数 切趾光栅 相移光栅 以 为基准，由表可知，切趾光栅因为切去了旁瓣，反射谱变宽，所以整个线性区间变宽，探测范围较大，但同时上升沿的斜率变小，为 的倍，探测灵敏度
12、也只有 的倍，反射激光功率差值范围较小，误差也因之较大。而相移光栅因其有着极窄的透射峰，斜率是 的倍有余，探测灵敏度最高，误差最小，结合聚氨酯材料相对裸光纤光栅提高了个数量级，但同时因其过窄的透射峰导致其反射功率差有所降低，很容易因为漂移过量导致波形失真，实际测量时要注意探测范围。结束语本文首先以 横向传感与纵向传感为受压模型，对 的应变灵敏度与探测灵敏度进行了增敏处理的计算与分析。计算结果表明，在光栅表面涂上低杨氏模量的涂覆层材料可以显著增加光栅的应变灵敏度，且纵向传感效果好于横向，使用聚氨酯材料的涂覆层灵敏度相比裸光纤光栅提升了 倍。结合可调窄线宽激光的边缘滤波法，利用光栅反射谱上升沿线性
13、区将光栅反射波长的动态变化转化为窄带激光的反射功率变化，探测结果显示，切趾光栅的探测灵敏度最低，但是探测范围较宽；拥有极窄透射峰的相移光栅相比 拥有更大的探测灵敏度，结合涂覆层综合，探测声压可以达到 以内，灵敏度相比裸 提升了 倍。对提高光纤光栅在声波探测灵敏度方面有一定的研究参考价值，但是受光栅长度的限制，探测的声波频率只能到达 以内，如果想要探测更高的声波频率如超声，则需要更小的光栅长度，或者以横向作为传感方向，但灵敏度方面就会产生一定的下降。参考文献：苑立波，童维军，江山，等 我国光纤传感技术发展路线图 光学学报，（）：，（）：，石磊 等：基于边缘滤波法检测的光纤光栅声波传感研究 ，（）
14、：，（）：刘云启，郭转运，刘志国，等 聚合物封装的高灵敏度光纤光栅压力传感器 中国激光，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：涂兴华，耿胜各锥形光纤光栅传感特性研究量子电子学报，（）：，（）：赵鑫彤基于光纤光栅的医疗超声波传感器研究北京：北京邮电大学，：，：，：涂兴华，赵宜超 对称熔融拉锥型光纤光栅温度和应力传感特性物理学报，（）：，（）：马伟超，陈少华，赵昆，等边缘滤波法解调的相移光纤布拉格光栅应变传感器中国激光，（）：，（）：李东明，陈军，葛辉良，等侧面压迫式及端面拉伸式增敏光纤光栅水声传感器光学学报，（）：，（）：，（）：（上接第页），：，：，：，：，（）：张鑫，董子涵，姚静远，等 波段 超低损耗国 产 嵌 套 管 式 空 芯 反 谐 振 光 纤 中 国 激 光，（）：，（）：李泳成，杨昊，郭宁宁，等超低损耗光纤的研究现状光通信研究，（）：，（）：光通信研究 年第期总第 期
