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图3-3 匹配光栅解调原理图
该方法的特点是结构简单，而且对最终检测的反射光强无绝对要求，各类强度噪声也不会对输出结果有影响。但这种方法也存在不可避免的缺点：一是要求两个光栅严格匹配；二是由于传感光栅的测量范围不能很大，所以实际当中测量的范围受参考光栅应变量的限制。
3.2.4 可调谐窄带光源解调法
可调谐窄带光源解调法采用波长周期变化的窄带光谱扫描传感光栅的发射谱。可调谐窄带光源固定在呀电体PZT上，当PZT受锯齿波或正弦电压驱动时，窄带光源的光谱在一定范围内变化。当其输出波长与传感光栅反射波长相同时，探测器接收到的信号光强最大，此时由PZT的电压-波长调谐关系即可获得传感FBG的中心发射波长移位。可调谐窄带光源解调法示意图如图3-4所示。
图3-4 可调谐窄带光源解调示意图
3.2.5 线性边带滤波解调法
这种方法主要是基于光强检测。线性边带滤波解调系统如图3-5所示。此系统有很多优点，主要就是消除了光源波动的影响，适用于动态、静态的测量，具有
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较好的线性输出，并且体积性对来说可以做的很小，便于户外使用。但是也不能忽略其缺点，由于分辨率是由滤波器的滤波曲线的斜度而定的，所以线性边带滤波解调系统分辨率不是很高，而滤波曲线的线性近似也会造成一定的不可避免的误差。
图3-5 线性边带滤波解调示意图
3.2.6 可调谐法布里—珀罗腔法
如图3-6为可调光纤F-P腔解调原理图，从宽带光源发出的光经隔离器和耦合器传送到串联在光纤上的分布式FBG传感器，波长满足布拉格反射条件的光波被反射回来，FBG传感器反射回的光经耦合器入射到可调谐F-P腔中。系统中利用压电陶瓷作为F-P腔腔长变化的驱动元件，使可调谐F-P腔工作在扫描状态。给PZT施加一个锯齿波的扫描电压，压电陶瓷随着扫描电压的变化产生伸缩，从而使F-P腔的腔长发生变化。当腔长的长度是光纤光栅反射光波的半个波长的整数倍时，光电探测器探测到最大光强，此时给ＰＺＴ施加的电压就对应着ＦＢＧ的中心反射波长。通过检测最大透射光强就可得到反射波波长，进而得到所测参变量。以上就是可调光纤Ｆ－Ｐ腔解调原理。
图3-6 可调光纤F-P腔解调原理图
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第4章 实验系统
4.1 光纤光栅测温系统的总体架构
基于光纤布拉格光栅测温系统装置可分为以下几部分：光路部分、信号处理部分、恒温控制部分、通信部分、和服务器通信管理软件几大块构成。
光路部分：包括C波段宽带光源ASE模块、F-P滤波器驱动设计，光纤光栅传感阵列的设计等；
信号处理部分：包括A/D采集电路设计、高速数字信号处理电路设计； 恒温控制部分：用于对参考标定光栅的恒温控制，以及温度的读取等； 通信部分：用于数据传输的RS232接口和电路设计； 服务器通信管理软件与系统配置软件设计。
图4-1光纤光栅测温系统装置硬件框图
光纤布拉格光栅测温系统装置硬件框图如图4-1所示，整个系统的实现流程如下：由ASE宽带光源发出1525nm-1565nm波段的宽带光，通过光纤F-P滤波器后再经耦合器分成传感光路和参考光路。在参考光路中并联了标定光栅和光标准具，并将这两种器件放入系统内部设置的恒温电路控制的恒温装置中，带系统稳定后，在采集数据进行标定。在传感光路中，传感光经过光路到达串联在一起的光纤光栅，从而可以实现多点测温监测。传感光路和参考光路获得的光信号传输到光电转换电路被转换为电信号，经信号调理与放大电路处理后，由AD转换模块同步转换为数字信号，在数字信号处理器中进行滤波降噪、信号特征的提取与分析，根据光栅温度解调算法解算出传感光栅的温度值。DSP数字信号处理器同时还集成DA功能，DA输出三角波电压，经过平滑调理后，由高压驱动电路放大，次电压对F-P滤波器进行扫描，进而驱动光纤F-P滤波器。硬件系统设计了本地RS232
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接口，通过接口可以为用户服务器传输数据，实现远程监测和监控。本地系统还设计显示和报警开关的输出，为系统联机提供了方便的接入端子。
4.2 光路部分
光路部分是光纤光栅测温系统的核心结构，这部分的结构决定着系统温度解调算法实现。 4.2.1ASE宽带光源
如今，在传感器系统中，我们主要用到的光源有发光二极管，超辐射发光二极管，可调谐半导体激光器以及放大的自发辐射源（ASE）。系统一般不会采用LED光源，由于LED从器件到单模光纤的耦合效率很低，在光功率方面不能满足系统的要求，所以在系统中一般不会采用这种光源：对于SLED来说，其3dB带宽较大，可达60nm以上，但其输出光功率很小，只有1mW左右，这种功率大小不能满足系统中多路复用的要求；可调谐半导体激光器基本达到了系统中的要求，其带宽达到50nm以上，输出光功率10mW，但是这种光源的价格非常昂贵；本课题采用ASE光源作为系统的光源，ASE光源还可以减少系统的相干噪声、光纤锐利散射引起的相位噪声以及光学克尔效应引起的相位漂移。此外，ASE光源具有输出稳定、受环境影响小、容易与单模光纤耦合等优点，且覆盖了大部分的中红外波段。综合考虑，我们选择ASE光源作为本系统的光源。
图4-2ASE光源的结构
ASE带宽光源是专为实验室实验和生产设计的。光源主题部分是增益介质掺铒光纤盒高性能的泵浦激光器。具有独特的自动温度控制（ATC）和自动功率控制（APC）。电路通过控制泵浦激光器的输出保证了输出功率的稳定，通过调节APC，可在一定范围内调节输出功率。结构如图4-2。
4.2.2 光纤耦合器
利用连接器和熔接的方法都可以将两段光纤连接起来，这样可以满足两个器件之间的光信号的传输。但是在很多的应用中，需要连接的不只是仪器的两个端头。耦合器就是将输入信号分成两路或多路输出，或将两路或更多路输入合并成一路输出。
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4.3 信号处理电路部分
4.3.1 ADC与DAC电路设计
ADC设计中系统采用4通道同步转换ADC芯片AD7865，图4-6为AD7865的引脚分布图，其具有14位精度、低功耗、采样保持，单电源供电，电源电压为2.7V至5.25V，四路同步采样最高吞吐量可达100KSPS。该器件内置一个低噪声、宽带宽采样/保持放大器。转换过程和数据采集过程通过CS和串行时钟进行控制，从而为器件与微处理器或DSP接口创造了条件。输入信号在CONVST信号的下降沿进行同步采样，四路转换同时在此处启动。该器件不存在流水线延迟。采用先进的设计技术，可在高吞吐量的情况下实现极低的功耗。采用5V电源，吞吐量为100KSPS时，AD7865的功耗为115mW。
图4-5AD7865引脚分布图
图4-6ADC内部结构逻辑图
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