用下，不同波长的光信号周期性地通过F-P滤波器，然后经耦合器分成两个支路。其中一路约90%的光经耦合器入射到传感光栅阵列中，阵列中所有光栅的布拉格反射波长必须全部在F-P滤波器的扫描范围内，并且每个光栅的反射波长都不相同，以避免信号串扰；另一路约10%的光则经耦合器入射到F-P标准具中，该支路用来对可调谐F-P滤波器进行校准，以消除可调谐F-P滤波器腔长漂移对测量精度造成的影响。在传感光栅通道中，当F-P滤波器的扫描波长与光纤光栅的反射波长一致时，光电检测器探测到的光能量最大。此时，采集光电检测器输出的电信号，当电信号最大时，记录相应的锯齿波电压，然后根据锯齿波电压与波长的关系可以得到反射波长的值，从而达到传感信号解调的目的。
CouplesASE Light SouceOptical attenuatorOptical Tapping Element123??n Channel 1Channel 2Channel 390?P-TF?Potoelec tric conversionNI6361Channel n10%F-P Etalon ? Magnify and filterDriving voltage Optical lineComputer(LabView)Electri line
图2 光纤光栅解调仪原理图
4.3 4.3.1
硬件设计 可调谐窄带光源
在光纤光栅传感解调系统中，光源的性能决定了整个系统内光信号的强度和其他重要参量，而且对系统的成本影响非常大，甚至在相当程度上决定了系统的成本和性能。由于光纤光栅的中心波长是整个传感系统中的待测变量，这就要求光源的光谱范围要足够宽，能够包含尽可能多的传感器的波长及其变化范围，还要求光源的输出功率强，性能稳定，这样才能满足分布式传感网络中多点测量的要求。因此方案中所用的光源必须功率大、波段宽。常用的宽带光源光谱范围宽，但所测光纤光栅的光谱在整个光谱中所占的范围小，经滤波后光电
探测器探得的光功率信号较微弱，容易湮没在系统噪声和回光反射中，导致信号缺失，系统信噪比因此降低。本方案采用可调谐窄带光源，由放大自发辐射光源（ASE）和可调谐F-P滤波器组合而成。原理如图3所示。
dBλ（窄带光）F-P腔λ1(t1)λ2(t2)λ3(t3)ASE光源???λn(tn)（宽带光） vn 3vv2v1V压电陶瓷Tt1 t2 t3?? tnHh1 (t1)、h2 (t2) 、h3 (t3) .……hn (tn)可调谐F-P滤波器驱动电路图3可调谐窄带光源原理
可调谐F-P腔控制模块产生周期性的锯齿波电压，该电压加在可调谐F-P滤波器上，可调谐F-P滤波器的腔长随着锯齿波电压周期性的变化，可调谐F-P滤波器的不同腔长对应着不同的波长值。因此ASE光源发出的宽带光中只有波长与可调谐F-P滤波器腔长匹配的光能通过可调谐F-P滤波器，且在每一个时刻只能有一个确定波长值的能经过可调谐F-P滤波器。
4.3.1.1 ASE光源
光源是构成解调仪的一个极为重要的元器件，光源和可调谐F-P滤波器共同构成解调仪的可扫描激光光源。光源的功率对后续信号的功率的大小有着重要的作用，其性能决定了解调仪的寿命。
光源特性对光纤系统性能有着重要的影响。针对已经确定的可调 F-P 滤波器参数，选择系统的光源主要从以下几个基本方面考虑：
（1）辐射频谱特性。光源辐射的频谱特性应与光纤波导的传输频响特性匹配。在波长为 1527nm~1565nm的区域内，传输损耗较低，能满足不同的系统要求。
（2）电光转换特性。施加于光源的电偏置对光输出有直接影响。通常，输出功率值随电激励的增加而增加，器件的温度也随电激励的增加而升高。对于大多数电光变换器来说，非恒温的输出光功率比恒温的稍低；此外，温度的变化还会引起辐射波长漂移。对于半导体发光器件，这可能是由于能带间隙随温度产生微小变化引起的。光源输出强度和频率通常都是电偏置的函数，同时也会受到环境温度等因素的影响。
（3）输出功率特性。对于一个带有光纤输出的光源，要求从光纤终端射出的光通量为
最大。这个量的大小取决于光源的功率和射入光纤的光通量。射入光纤的光通量与光源和光纤的耦合效率以及光源的亮度有关。从外部特性考虑时，出纤功率则是衡量输出功率特性的最重要的指标之一。
该系统中选用的光源为深圳浩源光电有限公司的ASE光源模块，该光源具有高功率、平坦度优，波长覆盖范围广，光谱、光功率稳定性好、电功率损耗低等特点。参数如表2所示。
表2 ASE光源模块参数
参数 工作波长 输出功率 光谱密度 光谱平坦度 光谱稳定性 输出功率短期稳定性 输出功率长期稳定性 工作温度 存储温度 相对湿度 功耗（25℃） 最大功耗 尺寸 尾纤类型 接头类型 报警信号 电源 单位 nm dBm dBm/nm dB dB dB dB ℃ ℃ RH W W mm 1527~1565 10.0~13.0 -11~-8 ≤1.5 ≤±0.0005(15min) ≤±0.005(15min) ≤±0.02(8h) -20~+60 -20~+70 20~80 ≤1.0 ≤3 100×70×19 SMF-28 FC/PC或者FC/APC 低电平报警 DC+3.3V，5A 该光源功率为10 dBm ~13dBm，即为0.01w~0.02w，平坦度好，如图4所示。
图4 ASE光源光谱图
4.3.1.2 可调谐F-P滤波器
反射镜F-P腔L1压电陶瓷H
图5 F-P腔结构
可调谐 F-P 滤波器的 F-P 腔结构如图5所示，在一定波长范围内，从光纤入射的光经透镜 L1准直变成平行光进入 F-P 腔，在两个具有高反射率的平行反射镜之间产生多光束干涉，出射光经透镜 L2聚焦汇聚到探测器上。构成 F-P腔的两个高反射镜中一个固定，另一个在外力的作用下可以移动，且背面贴有压电陶瓷。F-P 腔腔长的伸长量与所加驱动电压成正比，当给压电陶瓷施加一个锯齿波扫描电压时，压电陶瓷将产生伸缩，从而可以改变 F-P 腔的腔长，使F-P 腔的透射光波长发生变化，实现对透射光波长可调谐的目的。表征可调谐F-P滤波器性能的参数主要有自由光谱范围（FSR）、精细度（Finesse）和带宽（Δν）。
可调谐F-P滤波器必须具备以下几个基本的要求：首先，每一次只能有一条分离的谱线被通过，谱线的宽度要足够小，不能太宽；其次，在可调的 F-P 腔腔长变化范围内，要让所有的光谱都能依次通过；另外，腔长随时间变化的函数关系不应该太复杂，而应该相对简
L2单些，最好是线性的，这样有助于控制 F-P 腔的腔长，从而简化后续计算；最后，应该考虑到，在实际的光纤光栅传感器系统中，所用宽带光源的出纤功率一般都比较小。因此，如果每一次通过可调谐 F-P 滤波器的光谱宽度趋于无穷小，则每次通过滤波器的光强会很弱，这样在光电探测部分所得到的光强也会很弱，这会增大后续信号处理的难度。若增加可调谐F-P滤波器的光谱带宽，则每次通过滤波器的光强会增强，但会降低分辨率。
对此，本方案中建立了光谱的高斯数学模型，并进行了仿真，如图6~图8所示，给出了带宽为0.2nm的光纤光栅传感器与带宽分别为0.01、0.17、0.25nm的可调谐F-P滤波器的关系。左边的图表明了可调谐F-P滤波器带宽与输出光强的关系，右边的图标明了可调谐F-P滤波器与光纤光栅传感器的分辨率的关系。
图6 可调谐F-P滤波器带宽为0.01nm
图7可调谐F-P滤波器带宽为0.17nm