用于动态纤维光纤信号的全光颞型低通滤波器的理论评估

抽象的

纤维布拉格光栅（FBG）传感器用于许多应用中。当前，用FBGS的动态负载评估引起了人们的兴趣。这些应用包括振动分析，加速度或动态应变估计。动态信号的采集通常在信号量化之前包含信号低通滤波的应用。基于光谱仪或扫描激光器的FBG询问器固有地对动态FBG信号具有有限的抗抗分子能力。我们对基于光谱仪的询问器的所有光学低通滤波器进行了理论分析。低通滤波器基于将发光材料应用于检测器。光吸收和连续的光重新排放导致高FBG信号频率的高级衰减。提出了系统传输函数和数值信号模拟的分析推导。

1.简介

由于FBG传感器对电磁干扰，低传感器尺寸和重量的固有免疫力以及在一个传感纤维中的多元化传感器的多重多路复用性，因此基于纤维的晶状粒（FBG-）测量系统具有吸引力。1]。已经开发了几种审讯方法，并且已经在市售。基于扫描激光频谱询问器，基于边缘过滤器的询问器，基于扫描过滤器的方法以及基于光谱仪的系统的系统是最突出的实现[2-5]。FBG传感器已在过度环境中进行了大量使用。当前，对FBG传感器在获取动态载荷的应用[6]。在要测量的动态数量中，有加速度[7，，，，8]，复合结构中的羔羊波传播[9]，动态结构形状监测[10]，等等。通常，动态载荷的采集需要在量化和采样之前对信号进行低通滤波。信号低通滤波不足会导致获得信号中的混叠信号成分出现[11]。已经证明了基于光谱FBG信号滤波的高抗抗分子功能的FBG测量系统已证明[12，，，，13]。但是，这些询问者每个询问器提供有限数量的传感器。基于光谱仪的FBG询问器在信号量化之前的时间信号积分时表现出一定的低通行率[14]。但是，这种固有的低通态与电动测量系统中使用的标准低通滤波器不可媲美。

我们提出了一种应用额外信号低通滤波器以使用光谱仪采集动态载荷的方法。

2.全光FBG低通滤波器

数字1示例描述了基于光谱仪的FBG询问器的询问方案。FBG由宽带光源照亮。布拉格波长周围的狭窄波长带反映并通过光学循环器引导到光谱仪。光谱仪中的分散元件图像传感器光谱线性地在CCD线阵列上。

2.1。最先进的

如Van Damme等人所述，在常规光谱FBG询问系统中，高信号频率的衰减由检测器的时间信号整合确定。[[14]。与传感器的整体周期时间相比，通过调整积分时间的比例，这种低通行的行为可以在一定程度上调谐。最大信号幅度衰减在高信号频率下的最大性能是在最大积分时间中实现的。然后，相对传递函数由 在哪里是采样频率和是信号频率。这表明在Nyquist频率下的最大信号衰减为3.98 dB。带有信号组件因此，将被检测为具有非呈幅度的混叠频率分量。

2.2。系统描述

所提出的系统基于检测器上的光谱信号的连续延迟，将信号低通滤波器实现到光谱询问器。连续的延迟是通过光吸收和发光材料中的连续光重新发射来完成的。图中描述了所提出系统的可能安排2。发光材料放在光敏探测器的顶部。该层吸收的入射光在光谱仪光栅上折射，并将其连续将其朝向检测器。下面给出了系统的低通感应机制的描述。

位置的FBG峰有强度一次在检测器上被吸收在检测器顶部的层中。灯将不断地在位置上恢复有强度时间， 在哪里是发光材料中过渡的寿命。结论是一种趋势FBG峰将不断与趋势家族叠加有强度，，，，[[15]。该描述对于材料中恒定的吸收率有效。也就是说，入射光子吸收的概率必须是恒定的。信号生成过程在图中被示例描述3。探测器上FBG峰的最初趋势由黑色固体趋势描述。延迟的衰减信号由灰线表示。

如果层厚度足够小，则可以忽略由于非方向发射的涂抹效果。检测器阵列对从发光层重新染色的光的光谱带中的光很敏感。

2.3。传输函数估计

Bragg波长传感器由光谱传感器特征的重心（COG）给出[16]。从反射光谱，布拉格波长由 在哪里是FBG峰的光谱强度。时间的光谱FBG反射假定在Bragg波长处是三角洲分布，，，，。在波长下检测器上的累积光强度因此由， 在哪里是发光层中过渡的寿命。考虑正弦bragg波长趋势时间，在2）可以表示为 分母的积分可以相应地简化 因此，齿轮在时间时正弦bragg波长趋势对于结合发光层的光谱系统由 这种趋势的频谱由 因此，COG趋势的振幅传递函数由 与截止频率。该派生表明，所提出的系统表现出对正弦bragg波长趋势的低通特性。高信号频率的衰减取决于检测器阵列上磷光层激发电子状态的衰减时间。因此，这种全光通滤波可以调整为某个截止频率，而不是与检测器的读数频率无关。

3.总相对传递函数

检测器上的时间信号积分产生了FBG传感器的光谱检测系统的固有低通滤波器。通常，没有发光层的系统的相对传递函数由 在哪里是传感器的读数频率，是信号频率，是一个读数周期中信号积分时间的比例[14]。在拟议的设置中5）集成在检测器上。因此，建议系统的相对传递函数可以通过 给予

4.数值模型验证

提出的系统是通过使用MATLAB的数值模拟建模的。检测器上的光谱趋势通过时间分辨率进行模拟S，磷光材料的寿命设置为s。模拟的FBG峰在检测器平面上表现出具有三个像素的FWHM的高斯轮廓。数字4根据（根据（根据7）和从数值模拟的信号数据中提取的相对传递函数，而没有检测器的信号积分。评估的低通滤波器每十年的滚动约为-10 dB。从数值模拟数据中提取的相对传输函数与计算的传输函数非常吻合。Delta形FBG的派生传输函数是具有高斯形状的FBG的良好模型。如预期的那样，高信号频率的FBG COG趋势的幅度迅速降低。

数字5显示了光谱审问器系统的总幅度传输函数 Hz with对于不同的磷光寿命 ms to 10 ms. The transfer function of a spectrometric interrogator without phosphorescent layer exhibits a first root at。Nyquist频率上方的信号HZ没有足够的衰减来提供强大的抗抗分子能力。动态信号的采集需要在信号量化之前对信号进行低PAS过滤。这等于上述信号频率的衰减 Hz. For increasing life times of the phosphorescent transition, the system cutoff frequency is shifted towards lower signal frequencies, providing an even stronger antialiasing capability.

5.结论

我们对动态FBG信号的光谱询问进行了全光通道的理论评估。在检测器前面光谱仪的光路径中的发光层的实现充当连续信号积分器。派生的分析系统传输函数与数值模拟的FBG信号非常吻合。所提出的低通滤波器的截止频率是由磷光过渡的寿命定义的。对于在示范器系统中的实现，需要确定具有足够高的光学衰减时间的FBG波长处具有高吸收系数的发光染料。对于1550 nm左右的FBG传感器，高度掺杂的眼镜可能是有希望的候选者[17]。另一个有希望的材料系统可以由表现出可以进行上转换的材料给出[18，，，，19]，在几个MS范围内的过渡寿命。

参考

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