CN103271724B - 一种用于智能服装中的阵列波导光栅解调系统温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于智能服装中的阵列波导光栅解调系统温度补偿方法。阵列波导光栅各通道输出谱的中心波长λ_i存在温度漂移现象，在通过智能服装中阵列波导光栅解调系统进行人体温度测量时，由于人体躯干中左右胸、左右腋和后背五点温差在1.7℃范围以内，考虑将阵列波导光栅和光纤布拉格光栅两者的温度变化值ΔT进行整合，将中心波长用含有ΔT的关系式代替，推导出带有温度补偿的阵列波导光栅温度解调公式。该发明对温度的解调结果表明温度值与光强比对数值之间存在一种稳定的线性关系，温度灵敏度为0.25733dB/℃，能有效地提高应用于智能服装中人体温度测量的阵列波导光栅解调系统解调精度。

Description

一种用于智能服装中的阵列波导光栅解调系统温度补偿方法

技术领域

本发明属于光纤布拉格光栅传感解调技术领域，特别是应用于智能服装中的以光纤布拉格光栅为传感器、阵列波导光栅为解调器件的人体温度检测。 

背景技术

光纤布拉格光栅传感器是一种新型传感器件，并以其抗电磁干扰、轻巧、灵敏度高等特点而被广泛运用。常用的解调方法包括FBG可调滤波检测法、可调谐光纤F-P滤波器检测法、非平衡M-Z干涉仪检测法、可调窄带光源检测法和有源检测法等，但以上这些解调方法很难同时满足光纤布拉格光栅解调系统对多节点、高精度、兼顾动静态波长解调的要求。目前，基于阵列波导光栅的光纤布拉格光栅解调方法是一种极具潜力的新型光纤布拉格光栅解调方法。由阵列波导光栅构成的解调系统具有精度高、解调速度快、插入损耗低等优点，是光纤布拉格光栅传感解调的首选。 

阵列波导光栅的输出特性受到温度的影响，其各通道输出谱的中心波长存在温度漂移现象，该现象使波长解调结果产生较大误差。当阵列波导光栅所处环境温度发生改变时，如果继续采用最初线性拟合出的阵列波导光栅解调公式，解调所得结果的精度将会下降。目前国内外主要的阵列波导光栅温度补偿方法包括波导嵌入补偿、双金属片应力补偿、热膨胀移动输入波导位置补偿、负热光系数波导材料温度补偿等，但这些温度补偿方法大多是通过阵列波导光栅芯片结构上的设计来实现的，成本较高。 

本发明提出了阵列波导光栅温度补偿算法。在通过智能服装中阵列波导光栅解调系统进行人体温度测量时，由于人体躯干中左右胸、左右腋和后背五点温差在1.7℃范围以内，将阵列波导光栅和光纤布拉格光栅两者的温度变化值ΔT进行整合，从而避免了温度漂移对阵列波导光栅解调的影响，提高了系统解调的精度。 

发明内容

本发明的目的：提供一种用于智能服装中的阵列波导光栅解调系统温度补偿方法，解决通过芯片结构上设计实现的阵列波导光栅温度补偿方法成本较高、结构复杂等问题，这将进一步促进阵列波导光栅解调系统在智能服装温度测量中的广泛应用。 

本发明所采用的技术方案：采用阵列波导光栅进行温度解调时，特别是考虑将阵列波导光栅和光纤布拉格光栅植入智能服装当中用于温度测量时，可以认为阵列波导光栅与光纤布拉格光栅温度变化相同，即光纤布拉格光栅与阵列波导光栅温度变化都可用ΔT表示。将这两个ΔT进行整合，这样就使阵列波导光栅中心波长用含有ΔT的关系式代替。公式中不再出现变化的中心波长，从而避免温度漂移对阵列波导光栅解调的影响，最终得到带有温度补偿的阵列波导光栅解调公式。 

本发明的效果和益处：研究了通过非芯片结构化设计来实现的具有高线性度的阵列波导光栅解调系统的温度补偿方法，得到了带有温度补偿的阵列波导光栅温度解调公式，使解调精度得以提高，适用于智能服装中温度的解调。本发明避免了温度漂移对阵列波导光栅温度解调的影响，具有成本较低、操作步骤简单等优点，为优化阵列波导光栅的性能提供了指导意义。 

附图说明

图1是阵列波导光栅温度补偿方法的总体流程图； 

图2是植入智能服装中的阵列波导光栅解调集成微系统示意图； 

图3是光纤布拉格光栅中心波长和ΔT之间的线性拟合曲线； 

图4是阵列波导光栅6个相邻通道的传输谱中心波长与温度之间的线性关系曲线； 

图5是带有温度补偿的阵列波导光栅温度解调实验结构框图； 

图6是解调实验结果和根据实验结果线性拟合出的关系曲线。 

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。 

本发明考虑在通过智能服装中阵列波导光栅解调系统进行人体温度测量时，由于人体躯干中左右胸、左右腋和后背五点温差在1.7℃范围以内，将阵列波导光栅和光纤布拉格光栅两者的温度变化值ΔT进行整合，使温度漂移对各通道输出谱中心波长的影响转化到ΔT中，将中心波长用含有ΔT的关系式代替，推导出带有温度补偿的阵列波导光栅温度解调公式。具体实施步骤为： 

1.对阵列波导光栅解调公式进行分析，确定温度补偿方法的前提条件 

阵列波导光栅输出特性受到温度的影响，各通道输出谱的中心波长λ_i具有温度漂移现象。由光强法解调公式： 

$\ln \left(\frac{p_{i+1}}{p_i}\right)=\frac{8\left(\ln 2\right)\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\λ}}_i}^2+\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FBG}}}^2}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FBG}}-\frac{4\left(\ln 2\right)({{\mathrm{\λ}}_{i+1}}^2-{{\mathrm{\λ}}_i}^2)}{\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\λ}}_i}^2+\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FBG}}}^2}---\left(1\right)$

可知温度漂移现象使波长解调结果产生较大误差。 

在采用阵列波导光栅进行温度解调时，特别是考虑将阵列波导光栅和光纤布拉格光栅植入智能服装当中用于温度测量时，可以认为阵列波导光栅与光纤布拉格光栅温度变化相同，即光纤布拉格光栅与阵列波导光栅温度变化都可用ΔT表示。将这两个ΔT进行整合，这样就使阵列波导光栅中心波长用含有ΔT的关系式代替。公式中不再出现变化的中心波长，从而避免温度漂移对阵列波导光栅解调的影响，最终得到带有温度补偿的阵列波导光栅解调公式。本发明提出的植入智能服装中的阵列波导光栅解调集成微系统示意图如附图2所示，FBG1-5放置在智能服装中左右胸、左右腋和后背五点进行温度测量。 

2.确定FBG中心波长与温度变化量ΔT之间的关系，得到关于λ_FBG的以ΔT为自变量的表达式 

在阵列波导光栅解调公式中，λ_FBG为光纤布拉格光栅中心波长，其与温度的关系为： 

$T=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FBGi}}-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FBGi}0}}{p}{T}_0---\left(2\right)$

其中，λ_FBGi为解调出的传感FBG反射波波长值，T₀为标定的温度值，λ_FBGi0为温度T₀时FBG的中心波长值，P为传感光栅的灵敏度系数。 

对式(2)进行变形，得： 

λ_FBGi＝PΔT+λ_FBGi0    (3) 

其中，参数P和λ_FBGi0可以通过线性拟合求出。λ_FBGi和ΔT之间的拟合曲线如附图3图所示。图3表明λ_FbGi和ΔT存在线性关系。 

3.确定AWG中心波长与温度变化量ΔT之间的关系，得到关于λ_AWG的以ΔT为自变量的表达式 

阵列波导光栅各通道传输谱的中心波长与温度变化的关系为： 

${\mathrm{\λ}}_i\left(T\right)={\mathrm{\λ}}_i\left(T_0\right)+\frac{{\mathrm{dN}}_g}{\mathrm{dT}}\×\frac{\mathrm{\ΔL}}{m}\×\mathrm{\ΔT}---\left(4\right)$

式中，ΔL为相邻阵列波导的长度差，N_g为波导的有效系数，λ_i为第i通道的传输谱中心波长，T为阵列波导光栅的温度，T₀为阵列波导光栅的初始温度。附图4为阵列波导光栅6个相邻通道的传输谱中心波长与温度变化的关系曲线。图4表明λ_i(T)和ΔT存在线性关系。 

4.推导公式中变量λ_i+1(T)²-λ_i(T)²的表达式 

在公式(1)中，λ_i+1(T)、λ_i(T)及λ_i+1(T)²-λ_i(T)²的计算公式如下： 

${\mathrm{\λ}}_{i+1}\left(T\right)={\mathrm{\λ}}_{i+1}\left(T_0\right)+\frac{{\mathrm{dN}}_g}{\mathrm{dT}}\×\frac{\mathrm{\ΔL}}{m}\×\mathrm{\ΔT}---\left(5\right)$

${\mathrm{\λ}}_i\left(T\right)={\mathrm{\λ}}_i\left(T_0\right)+\frac{{\mathrm{dN}}_g}{\mathrm{dT}}\×\frac{\mathrm{\ΔL}}{m}\×\mathrm{\ΔT}---\left(6\right)$

${\mathrm{\λ}}_{i+1}{\left(T\right)}^2-{\mathrm{\λ}}_i{\left(T\right)}^2={\mathrm{\λ}}_{i+1}{\left(T_0\right)}^2-{\mathrm{\λ}}_i{\left(T_0\right)}^2+2{\mathrm{\λ}}_{i+1}\left(T_0\right)$

$\×\frac{d{N}_g}{\mathrm{dT}}\×\frac{\mathrm{\ΔL}}{m}\×\mathrm{\ΔT}-2{\mathrm{\λ}}_i\left(T_0\right)\frac{d{N}_g}{\mathrm{dT}}\×\frac{\mathrm{\ΔL}}{m}\×\mathrm{\ΔT}---\left(7\right)$

其中λ_i+l(T₀)²-λ_i(T₀)²可以通过实验线性拟合出。从图4中可以看出，任意温度下，阵列波导光栅相邻通道的中心波长差λ_i+1(T₀)-λ₁(T₀)为一定值，因而λ_i+1(T)²-λ_i(T)²只与温度的变化量ΔT有关。 

5.将AWG与FBG的温度变化量ΔT进行整合，推导出带有温度补偿的阵列波导光栅解调公式 

把式(3)及式(7)代入阵列波导光栅解调公式，进行公式推导。在这个过程中，因Δλ表示阵列波导光栅相邻两通道在初始温度下的中心波长之差，即λ_i+l(T₀)-λ_i(T₀)，因此可以合并，得到带有温度补偿的阵列波导光栅解调公式： 

$\ln \left(\frac{p_{i+1}}{p_i}\right)=\frac{8\left(\ln 2\right)\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\λ}}_i}^2+\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FBG}}}^2}(\mathrm{P\ΔT}+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FBGi}0})-\frac{4\left(\ln 2\right)}{\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\λ}}_i}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{FBG}}}^2}$

$\×[{\mathrm{\λ}}_{i+1}{\left(T_0\right)}^2-{\mathrm{\λ}}_i{\left(T_0\right)}^2+2\×({\mathrm{\λ}}_{i+1}\left(T_0\right)-{\mathrm{\λ}}_i\left(T_0\right))\×\frac{{\mathrm{dN}}_g}{\mathrm{dT}}\×\frac{\mathrm{\ΔL}}{m}\×\mathrm{\ΔT}]\×$

$=\frac{8\left(\ln 2\right)\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\λ}}_i}^2+\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FBG}}}^2}(P-\frac{{\mathrm{dN}}_g}{\mathrm{dT}}\×\frac{\mathrm{\ΔL}}{m})\mathrm{\ΔT}+\frac{8\left(\ln 2\right)\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\λ}}_i}^2+\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FBG}}}^2}$

$\×({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FBGi}0}-\frac{{\mathrm{\λ}}_{i+1}\left(T_0\right)+{\mathrm{\λ}}_i\left(T_0\right)}{2})$

6.实验测试结果 

为了验证用于智能服装中的阵列波导光栅解调系统温度补偿方法的正确性，选择在25℃时中心波长为1550.97nm的光纤布拉格光栅，选择阵列波导光栅的第32、33通道作为解调时的输出通道，其中第32通道在25℃时的中心波长为1551.739nm，第33通道在25℃时的中心波长为1550.935nm。把光纤布拉格光栅和阵列波导光栅置于恒温实验箱中，宽带光源的输出光经耦合器进入光纤布拉格光栅，反射光经耦合器进入阵列波导光栅。将阵列波导光栅与光纤布拉格光栅反射波长相邻的两通道输出口接入光功率计。附图5为带有温度补偿的阵列波导光栅温度解调实验的结构框图。恒温实验箱中温度在20℃-50℃范围内改变，记录在该过程中阵列波导光栅两相邻通道的输出光强值，重复进行一次实验。附图6为解调实验结果及根据实验结果线性拟合出的关系曲线。 

对应的拟合曲线方程分别为 

$\left\{\begin{array}{c}Y=6.27780-0.04569X\\ Y=5.63140-0.03053X\end{array}\right.---\left(9\right)$

对实验结果进行距离分析，得到经过距离分析得到的相似性矩阵如表1所示，两条曲线方程的相关系数r为0.997，相关系数趋近于1，这表明测量结果有很高的稳定性。 

从实验结果可以看出，温度值与光强比对数值之间存在一种线性关系。并且拟合出的直线基本重合，证明带有温度补偿的阵列波导光栅解调公式的正确性，基于此可以进行温度的解调。又因为公式将阵列波导光栅和光纤布拉格光栅两者的温度变化值ΔT进行整合，使温度漂移对各通道输出谱的中心波长的影响转化到ΔT中，将中心波长用含有ΔT的关系式代替，所以基于该公式的算法能避免温度漂移对阵列波导光栅解调的影响。 

表1带有温度补偿的阵列波导光栅温度解调结果相关系数矩阵 

Claims (6)

1.一种用于智能服装中的阵列波导光栅解调系统温度补偿方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)对阵列波导光栅(AWG)解调公式进行分析，确定温度补偿方法的前提条件；

(2)确定光纤布拉格光栅(FBG)中心波长与温度变化量ΔT之间的关系，得到关于FBG中心波长的以ΔT为自变量的表达式；

(3)确定阵列波导光栅中心波长与温度变化量ΔT之间的关系，得到关于AWG中心波长的以ΔT为自变量的表达式；

(4)推导公式中变量λ_i+1(T)²-λ_i(T)²的表达式，其中，λ_i+1为AWG通道i+1的传输谱中心波长，λ_i为AWG通道i的传输谱中心波长；

(5)将AWG与FBG的温度变化量ΔT进行整合，推导出带有温度补偿的阵列波导光栅解调公式。

2.根据权利要求1所述的用于智能服装中的阵列波导光栅解调系统温度补偿方法，其特征在于步骤(1)中阵列波导光栅输出特性受到温度的影响，各通道输出谱的中心波长λ_i具有温度漂移现象，由光强法解调公式：

$\ln \left(\frac{p_{i+1}}{p_i}\right)=\frac{8\left(\ln 2\right)\mathrm{\Δ\λ}}{{{\mathrm{\Δ\λ}}_i}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{FBG}}}^2}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FBG}}-\frac{4\left(\ln 2\right)({{\mathrm{\λ}}_{i+1}}^2-{{\mathrm{\λ}}_i}^2)}{{{\mathrm{\Δ\λ}}_i}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{FBG}}}^2}---\left(1\right)$

其中，p_i+1为AWG通道i+1的输出光强，p_i为AWG通道i的输出光强，λ_FBG为FBG的中心波长，Δλ_FBG为FBG反射谱的半峰值带宽，Δλ为阵列波导光栅相邻两通道在初始温度下的中心波长之差，Δλ_i为AWG传输谱的半峰值带宽，可知温度漂移现象使波长解调结果产生较大误差。

3.根据权利要求2所述的用于智能服装中的阵列波导光栅解调系统温度补偿方法，其特征在于步骤(2)中在阵列波导光栅解调公式中，λ_FBG为光纤布拉格光栅中心波长，其与温度的关系为：

$T=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FBGi}}-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FBGi}0}}{P}+T_0---\left(2\right)$

其中，T为阵列波导光栅的温度，λ_FBGi为解调出的传感FBG反射波波长值，T₀为标定的温度值，λ_FBGi0为温度T₀时FBG的中心波长值，P为传感光栅的灵敏度系数，

对式(2)进行变形，得：

λ_FBGi＝PΔT+λ_FBGi0   (3)

其中，参数P和λ_FBGi0可以通过线性拟合求出。

4.根据权利要求3所述的用于智能服装中的阵列波导光栅解调系统温度补偿方法，其特征在于步骤(3)中阵列波导光栅各通道传输谱的中心波长与温度之间的关系为：

${\mathrm{\λ}}_i\left(T\right)={\mathrm{\λ}}_i\left(T_0\right)+\frac{{\mathrm{dN}}_g}{\mathrm{dT}}\×\frac{\mathrm{\ΔL}}{m}\×\mathrm{\ΔT}---\left(4\right)$

其中，ΔL为相邻阵列波导的长度差，N_g为波导的有效系数，λ_i(T)、λ_i(T₀)分别为阵列波导光栅通道i在温度T和标定的温度T₀时的传输谱中心波长，m为阵列波导光栅的通道数。

5.根据权利要求4所述的用于智能服装中的阵列波导光栅解调系统温度补偿方法，其特征在于，由公式(4)得λ_i+1(T)、λ_i(T)的表达式，计算出λ_i+1(T)²-λ_i(T)²的表达式如下：

${\mathrm{\λ}}_{i+1}\left(T\right)={\mathrm{\λ}}_{i+1}\left(T_0\right)+\frac{{\mathrm{dN}}_g}{\mathrm{dT}}\×\frac{\mathrm{\ΔL}}{m}\×\mathrm{\ΔT}---\left(5\right)$

${\mathrm{\λ}}_i\left(T\right)={\mathrm{\λ}}_i\left(T_0\right)+\frac{{\mathrm{dN}}_g}{\mathrm{dT}}\×\frac{\mathrm{\ΔL}}{m}\×\mathrm{\ΔT}---\left(6\right)$

$\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{i+1}{\left(T\right)}^2-{\mathrm{\λ}}_i{\left(T\right)}^2={\mathrm{\λ}}_{i+1}{\left(T_0\right)}^2-{\mathrm{\λ}}_i{\left(T_0\right)}^2+2{\mathrm{\λ}}_{i+1}\left(T_0\right)\\ \×\frac{{\mathrm{dN}}_g}{\mathrm{dT}}\×\frac{\mathrm{\ΔL}}{m}\×\mathrm{\ΔT}-{2\mathrm{\λ}}_i\left(T_0\right)\frac{{\mathrm{dN}}_g}{\mathrm{dT}}\×\frac{\mathrm{\ΔL}}{m}\×\mathrm{\ΔT}\end{array}---\left(7\right)$

其中，λ_i+1(T)、λ_i+1(T₀)分别为阵列波导光栅通道i+1在温度T和标定的温度T₀时的传输谱中心波长，λ_i+1(T₀)²-λ_i(T₀)²可以通过实验线性拟合出，任意温度下阵列波导光栅相邻通道的中心波长差λ_i+1(T₀)-λ_i(T₀)为一定值，因而λ_i+1(T)²-λ_i(T)²只与温度的变化量ΔT有关。

6.根据权利要求5所述的用于智能服装中的阵列波导光栅解调系统温度补偿方法，其特征在于，将式(3)和式(7)代入阵列波导光栅解调公式(1)，进行公式推导，在这个过程中，因Δλ表示阵列波导光栅相邻两通道在初始温度下的中心波长之差，即λ_i+1(T₀)-λ_i(T₀)，因此可以合并，得带有温度补偿的阵列波导光栅解调公式：

$\begin{array}{c}\ln \left(\frac{p_{i+1}}{p_i}\right)=\frac{8\left(\ln 2\right)\mathrm{\Δ\λ}}{{{\mathrm{\Δ\λ}}_i}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{FBG}}}^2}(\mathrm{P\ΔT}+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FBGi}0})-\frac{4\left(\ln 2\right)}{{{\mathrm{\Δ\λ}}_i}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{FBG}}}^2}\\ \×[{\mathrm{\λ}}_{i+1}{\left(T_0\right)}^2-{\mathrm{\λ}}_i{\left(T_0\right)}^2+2\×({\mathrm{\λ}}_{i+1}\left(T_0\right)-{\mathrm{\λ}}_i\left(T_0\right))\×\frac{{\mathrm{dN}}_g}{\mathrm{dT}}\×\frac{\mathrm{\ΔL}}{m}\×\mathrm{\ΔT}]\\ =\frac{8\left(\ln 2\right)\mathrm{\Δ\λ}}{{{\mathrm{\Δ\λ}}_i}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{FBG}}}^2}(P-\frac{{\mathrm{dN}}_g}{\mathrm{dT}}\×\frac{\mathrm{\ΔL}}{m})\mathrm{\ΔT}+\frac{8\left(\ln 2\right)\mathrm{\Δ\λ}}{{{\mathrm{\Δ\λ}}_i}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{FBG}}}^2}\\ \×({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FBGi}0}-\frac{{\mathrm{\λ}}_{i+1}\left(T_0\right)+{\mathrm{\λ}}_i\left(T_0\right)}{2})\end{array}---\left(8\right).$