1 引 言

随着社会人口老龄化问题的日益严重，健康问题备受人们关注，用于监测人体生理参数的智能服装逐渐成为远程医疗、健康监护等领域的研究热点[1]。它在实现其基本功能外，还能让穿着者在低负荷的状态下完成对体温、脉搏、血压、心率等生理信号的监测。已见报道的基于服装的可穿戴监护设备如SmartShirt、hShirt、MIThril等[2-4]，它们均采用电学传感器对人体生理参数进行检测，通过导电纤维将生理信号送入处理单元完成信号的处理与分析。电学传感器普遍存在着体积大、穿着舒适性差、不宜长期佩戴、易受电磁干扰等问题。相比之下，光纤布拉格光栅(FBG)不仅广泛应用于温度、压力、应变及振动等物理量的测量[5-8]，同时它还具有体积小、抗电磁干扰、易构成分布式传感网络、与纱线兼容等优点，因此基于光纤光栅的智能服装具有巨大的发展潜力。目前已有利用FBG进行人体温度、心率、呼吸等生理参数测量研究的报道[9-11]。本文在前期FBG脉搏传感织物研制的基础上，对其波长解调方法进行研究，从而实现可穿戴式FBG脉搏波的检测。

典型的波长解调方法包括匹配光栅滤波解调法[12]、可调谐法布里-珀罗(F-P)滤波解调法[13]、边沿滤波解调法[14]及非平衡马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪解调法[15]等。比较而言，边沿滤波法具有体积小巧、结构简单、不受光源波动影响等优点，适合在工程中应用。在常见的几种边沿滤波解调系统中，基于波分复用器(WDM)的解调系统波长解调范围较宽，但由于WDM具有偏振特性，导致波长测量精度不高；基于阵列波导光栅(AWG)的解调系统分辨率高、响应快，但其体积较大；基于长周期光纤光栅(LPFG)的解调系统结构简单，但系统稳定性不高、误差较大。

结合上述几种边沿滤波解调系统的优缺点，本文提出了一种基于在线马赫-曾德尔干涉仪(In-line MZI)滤波器的波长解调方法，重点研究了In-line MZI的干涉原理和制作工艺，基于所研制的In-line MZI设计了FBG脉搏波检测系统，对系统的相关指标进行了实验研究。该系统具有体积小、成本低、结构简单、波长分辨率较高等特点，能够满足可穿戴式FBG脉搏波检测的要求，有助于光纤光栅脉搏检测智能服装的研发。

2 FBG波长解调原理

FBG是一种波长调制型光学传感器，当宽带光入射其中时，根据耦合模理论，满足布拉格波长条件的光会被反射，其余波长的光发生透射，布拉格波长表达式为[5]

式中 λB 为FBG反射光中心波长；neff为光栅区的有效折射率；Λ为光栅周期。外界温度及轴向应变的变化均会对neff、Λ造成影响，从而引起 λB 发生变化。通过检测FBG反射光中心波长的漂移情况，就可以获得相应物理量的变化信息。

脉搏是人体重要的生理信号之一，它包含了丰富的人体生理和病理信息，能够反映出人体心血管系统多种生理疾病的血流特征[16]。脉搏信号同时也可以等效为一种低频的、微弱的振动信号，将FBG经适当封装后可用于脉搏信号的检测。项目组成员前期设计了用于光纤光栅脉搏检测的织物腕带，其实物如图 1所示。其中在FBG传感区域，通过对FBG进行聚合物封装以及在尾纤上添加织物保护套增加了FBG织物的实用性与可靠性。在测量脉搏信号时，需将FBG传感区域固定在手腕桡动脉处，脉搏波引起的织物形变转化为FBG轴向应变变化，通过对FBG反射光中心波长进行解调，就可以得到相应的脉搏信号。

FBG波长解调系统结构如图2所示。超辐射发光二极管(SLED)宽带光源输出光经环形器(Circulator)1端口进入到FBG中，其反射光从环形器2端口输入，由3端口输出至3 dB耦合器(Coupler)中分束。分束后的一路光经In-line MZI滤波器后进入光探测器PIN1中，另一路光则直接进入光探测器PIN2中进行光电转换。

图2中，In-line MZI滤波器在FBG波长变化范围内的光谱可近似为线性函数，即视为线性滤波器，其表达式为

式中λ为输入光波长；A为线性滤波器的斜率；λ0为滤波器的截止波长，即 F(λ0)= 0 。经光电转换后携带脉搏信息的信号VF与解调参考信号VR可分别表示为

式中I0为入射到FBG中的光强值；K为光探测器的响应度；R为FBG的反射率；Δλ为FBG的带宽；λB为FBG反射谱中心波长[17]。利用数据采集卡(NI USB-6259)对两路信号进行同步采集并上传计算机，通过LabView编写的解调软件对VF、VR进行除法运算，可得

通过(5)式看出，经除法运算后的输出信号VOUT与FBG中心波长变化呈线性关系，解调系统灵敏度仅与线性滤波器的斜率有关，因此通过测量VOUT即可获得FBG波长信息，从而实现脉搏信号的检测。该解调方法能够有效地消除由于光源波动引入的噪声，并且具有结构简单、成本低廉、解调速度快等优点。

3 In-line MZI滤波器的设计

在本解调系统中，采用了一种体积小巧、制作简单的In-line MZI作为线性边沿滤波器，其结构如图3所示。该MZI由一段光子晶体光纤(PCF)塌陷熔接于两段普通单模光纤(SMF)之间构成。当入射光从单模光纤传输到PCF空气孔塌陷区域l1时，由于模场直径发生了突变，使得单模光纤纤芯中传输的LP01模式的部分能量耦合进包层中，并激发为高阶LPnm模式在包层中传输。在塌陷区域l2处，激发出的部分高阶包层模式又被重新耦合回单模光纤的纤芯中，并与纤芯LP01模式发生干涉。

其干涉光信号强度可以表示为

其中Icore、Icladding分别为在纤芯和包层中传播的模式光光强；Δneff为纤芯模与包层模之间的有效折射率差；L为干涉仪长度；λ为输入光波长。当λ满足(7)式时

干涉谱中会出现光强信号的极小值点(Dip)，其中 λn 为第n阶Dip点的中心波长[18]。相邻两个Dip点之间的波长范围即可视为MZI的自由光谱范围(RFS)，其表达式如(8)式所示[19]。通过调节干涉仪长度L可以控制RFS的大小。L越大，RFS越小，反之亦然。

利用商用光纤熔接机(FITEL，S183PM-II)制作In-line MZI滤波器，选用的PCF型号为长飞公司生产的全内反射型SM-10，单模光纤为SMF-28。PCF空气孔的塌陷长度与放电强度和放电时间有关，基于单模光纤的熔接程序，通过修改放电强度，探索PCF空气孔塌陷的熔接工艺。经大量实验，当放电强度设置为100 bit时可获得较好的干涉效果。塌陷区域的光纤结构如图4所示，塌陷长度l1、l2分别为233.83、239.94 μm。为避免应变和弯曲对干涉谱产生影响，采用毛细钢管对所制作的MZI进行封装，封装后的滤波器直径为2.5 mm、长度仅为4.5 cm，其实物照片如图5(a)所示。

图5(b)为MZI在1545~1590 nm波段范围内的干涉谱，分别在1560、1575 nm附近出现了两个Dip点。为进一步分析MZI中的模式分布情况，对其干涉谱进行了快速傅里叶变换(FFT)，变换结果如图5(c)所示。可见，该熔接工艺仅激发出一个主包层模式，与基模产生M-Z干涉。MZI透射谱中干涉样式主要是由纤芯基模与占主导地位的包层模式来决定，激发出的其他弱包层模式虽会对干涉谱产生影响，但影响较弱。因此，MZI干涉谱呈近似余弦形态。

封装后的干涉仪可以消除因轴向应力或弯曲对MZI干涉谱的影响，温度成为了影响干涉仪稳定性的主要因素。为测试干涉仪的温度特性，将其固定在恒温加热平台上，调节温度变化范围从室温25 ℃~60 ℃，设置步进量为5 ℃，同时利用光谱分析仪(MOI，Si725)记录干涉谱型。图6给出了MZI干涉谱中Dip1点与Dip2点中心波长随温度变化的漂移情况。实验结果表明，随着温度的升高，干涉谱整体发生红移。经计算，Dip1点、Dip2点的温度灵敏度分别为3.48、3.02 pm/℃，说明在25 ℃~60 ℃的温度范围内，干涉仪的温度灵敏度极低，温度稳定性好，从而确保了波长解调的准确性。

在利用FBG检测脉搏信号时，织物腕带将会向FBG施加一定的压力。经波长解调仪(MOI，SM130)测试，此压力会使FBG原始中心波长红移约1 nm，脉搏信号幅度约为几十皮米。为了使固定后的FBG中心波长能够处于滤波器边沿的线性区域，同时又要保证滤波边沿具有较大的斜率，因此选取1561~1563 nm作为FBG的波长解调范围，选择原始中心波长为1561.02 nm的FBG用于脉搏检测。

4 实验与结果分析

根据图2搭建解调测试系统，选用SLED作为宽带光源(ZLS1545)，其最大输出功率为10 mW。由于滤波器在1561~1563 nm范围内存在15 dB左右的衰减，为防止光电转换后VF信号过小，选取分束比为10∶90的耦合器对FBG反射光进行分束。其中90%的光信号进入滤波器用于脉搏信号解调，10%的光信号作为解调参考信号。设置数据采集卡的采样频率为1 kHz，将采集到的两路电压信号传给计算机进行处理。此时，(5)式所示的解调输出表达式可修正为

在进行静态解调实验时，利用夹具将聚合物封装的FBG两端固定在两升降台之间，锁定其中一个升降台保持不动，调节另一个升降台旋钮使其上下移动，带动FBG传感器发生弯曲形变，从而改变其中心波长。

调节FBG中心波长从1561~1563 nm，步进0.2 nm，利用光谱仪(AQ6370B)读取FBG中心波长并同时记录解调系统输出两路电压的比值。重复进行3次实验，对3次实验数据进行均值化处理，将所得均值与对应波长进行线性拟合，拟合结果如图7所示。

由图7可知，在FBG变化波段范围内(1561~1563 nm)，解调输出信号(即两路电压信号比值)与FBG中心波长之间具有良好的线性关系，其拟合表达式为

系统解调范围为2 nm，波长灵敏度为0.055 nm-1，能够满足FBG脉搏波的检测要求。根据图5(b)得知，滤波器边沿在 1561~1563 nm 范围内斜率为 2.25 dB/nm，系统采用的光电探测器能探测到的最小相对光功率为0.005 dB，则解调系统的波长分辨率为2.2 pm。

为测试实验系统对脉搏信号的解调效果，选择10名健康状况良好的志愿者进行测试，其年龄在20~40岁之间，男女各5人。分别利用SM130波长解调仪与本解调系统对他们进行脉搏信号解调实验，按照图8所示将腕带固定在志愿者手腕桡动脉处。首先利用SM130波长解调仪(精度为±1 pm，采样速率为1 kHz)对脉搏信号进行解调，截取10 s波长解调结果；然后再将腕带中的FBG接入本解调系统中同样对被测者进行10 s脉搏信号解调。实验结果表明，SM130解调仪与本解调系统均实现了脉搏信号检测，其中2名志愿者(甲、乙)的脉搏波解调结果如图9所示，可以看出本解调系统输出信号与SM130波长解调仪输出信号相一致，解调出的脉搏信号特征明显，包含细节部分较多，能够实现FBG人体脉搏波的检测。

5 结 论

根据边沿滤波解调基本原理，针对FBG脉搏波检测要求，研究了一种基于In-line MZI滤波器的波长解调方法。制作出基于PCF的In-line MZI并进行了封装，该MZI体积小巧、稳定性好，经测试其温度灵敏度不超过3.5 pm/℃(25 ℃~60 ℃范围内)。基于该MZI滤波器搭建了波长解调实验系统，对FBG脉搏波检测进行实验研究。实验结果表明，该解调系统可以实现FBG变化波段范围内的线性解调，波长灵敏度为0.055 nm-1，解调系统波长分辨率可达2.2 pm，对人体脉搏信号具有较好的解调效果，从而验证了该解调方法的有效性和可行性。

参 考 文 献

1 Yan Nini, Zhang Hui, Deng Yongmei. Research progress and development trend of wearable medical monitoring clothing[J]. Journal of Textile Research, 2015, 36(6): 162-168.

严妮妮, 张 辉, 邓咏梅. 可穿戴医疗监护服装研究现状与发展趋势[J]. 纺织学报, 2015, 36(6): 162-168.

2 S Park, S Jayaraman. Smart textile-based wearable biomedical systems: A transition plan for research to reality[J]. IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, 2010, 14(1): 86-92.

3 K Hung, C C Lee, W M Chan, et al.. Development of novel wearable sensors for mobile health[C]. Proceedings of the IEEE-EMBS International Conference on Biomedical and Health Informatics, Hong Kong and Shenzhen, China, 2012: 745-747.

4 Zhang Yuanting, C Y P Carmen, Chan Chunhung, et al.. A health-shirt using e-textile materials for the continuous and cuffless monitoring of arterial blood pressure[C]. Proceedings of the 3rd IEEE-EMBS International Summer School and Symposium on Medical Devices and Biosensors, Boston, USA, 2006: 86-89.

5 Yang Xiufeng, Zhang Chunyu, Tong Zhengrong, et al.. Experimental research of temperature sensing properties of a novel fiber grating [J]. Chinese J Lasers, 2011, 38(4): 0405005.

杨秀峰, 张春雨, 童峥嵘, 等. 一种新型光纤光栅温度传感特性的实验研究[J]. 中国激光, 2011, 38(4): 0405005.

6 Jiang Shanchao, Cao Yuqiang, Sui Qingmei, et al.. Research on the micro and high-precision fiber Bragg grating soil pressure sensor[J].Chinese J Lasers, 2013, 40(4): 0405002.

蒋善超, 曹玉强, 隋青美, 等. 微型高精度光纤布拉格光栅土压力传感器研究[J]. 中国激光, 2013, 40(4): 0405002.

7 Ma Weichao, Chen Shaohua, Zhao Kun, et al.. Phase-shifted fiber Bragg grating strain sensor demodulated by edge filter[J]. Chinese J Lasers, 2013, 40(9): 0905004.

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[J]. 中国激光, 2013, 40(9): 0905004.

8 Zou Hongbo, Liang Dakai, Zeng Jie, et al.. Dynamic demodulation of fiber Bragg grating vibration sensor based on cascaded long-period fiber grating[J]. Chinese J Lasers, 2011, 38(8): 0805005.

邹红波, 梁大开, 曾 捷, 等. 基于级联长周期光纤光栅的光纤布拉格光栅振动传感器的动态解调[J]. 中国激光, 2011, 38(8): 0805005.

9 Li Hongqiang, Li Yang, Li Enbang, et al.. Temperature-insensitive arrayed waveguide grating demodulation technique for fiber Bragg grating sensors[J]. Optical & Laser Technology, 2013, 51: 77-81.

10 Zhang Cheng, Miao Changyun, Gan Jingmeng, et al.. Wavelength demodulated method of fiber Bragg grating for human temperature and heart sound measuring[J]. Chinese J Lasers, 2011, 38(12): 1205001.

张 诚, 苗长云, 甘晶萌, 等. 用于体温心音检测的光纤布拉格光栅波长解调方法[J]. 中国激光, 2011, 38(12): 1205001.

11 J Witt, F Narbonneau, M Schukar, et al.. Medical textiles with embedded fiber optic sensors for monitoring of respiratory movement[J].IEEE Sensors Journal, 2012, 12(1): 246-254.

12 Wang Jian, Tang Feng, Ren Liyong,et al.. Vibration demodulation using fiber grating based on tunable Gaussian filter[J]. Journal of Applied Optics, 2010, 31(6): 993-999.

王 舰, 唐 峰, 任立勇, 等. 基于可调高斯型滤波器的光纤光栅振动解调技术研究[J]. 应用光学, 2010, 31(6): 993-999.

13 Li Jinming, Ma Youchun, Yan Shubin,et al.. High precision and wide scale fiber Bragg grating sensor interrogation system based on tunable filter[J]. Chinese J Lasers, 2013, 40(9): 0905002.

李锦明, 马游春, 闫树斌, 等. 基于可调谐滤波器的高精度宽量程光栅传感解调系统[J]. 中国激光, 2013, 40(9): 0905002.

14 Zhu Zhu, Liang Dakai, Sun Hongbing. Double-edged filter wavelength demodulation system for fiber Bragg grating based on long period fiber grating[J]. Chinese J Lasers, 2013, 40(3): 0305001.

朱 珠, 梁大开, 孙红兵. 基于双长周期光纤光栅边缘滤波的光纤布拉格光栅解调系统[J]. 中国激光, 2013, 40(3): 0305001.

15 Jiang Qi, Sui Qingmei, Xu Yuchao, et al.. Experiment and design of distributed feedback fiber laser hydrophone[J]. Acta Photonica Sinica,2009, 38(11): 2795-2799.

蒋 奇, 隋青美, 徐于超, 等. 分布反馈光纤激光器水听器设计与实验[J]. 光子学报, 2009, 38(11): 2795-2799.

16 Song Xianghe, Wang Yun. Pulse wave: The bridge connecting traditional Chinese medicine with western medicine[J]. Journal of Chinese Integrative Medicine, 2008, 6(9): 891-896.

宋相和, 王 耘. 脉搏波: 沟通中医和西医的桥梁[J]. 中西医结合学报, 2008, 6(9): 891-896.

17 Wu Jing, Wu Hanping, Huang Junbin,et al.. Research progress in edge filter demodulation method of fiber Bragg grating sensors[J]. Optical Communication Technology, 2014, 4: 38-41.

吴 晶, 吴晗平, 黄俊斌, 等. 光纤光栅传感信号边缘滤波解调技术研究进展[J]. 光通信技术, 2014, 4: 38-41.

18 Zhang Cheng, Zhao Junfa, Miao Changyun, et al.. High-sensitivity all single-mode fiber curvature sensor based on bulge-taper structures modal interferometer[J]. Opt Commun, 2015, 336: 197-201.

19 Wo Jianghai, Sun Qizhen, Liu Hai, et al.. Sensitivity-enhanced fiber optic temperature sensor with strain response suppression[J]. Optical Fiber Technology, 2013, 19: 289-292.