摘 要

新一代光纤传感网络的发展趋向是实现长距离、大容量和高精度。本文主要研究大规模弱光纤光栅阵列的复用和信号解调方法。提高光纤光栅传感网络的复用能力和传输距离要求更低反射率光栅。围绕基于时分和波分混合复用的大规模超弱光纤光栅传感网络复用和解调所存在的关键问题，本文研究了影响弱光纤光栅阵列复用的原理，PGC解调原理以及3×3耦合器解调原理。研究超低反射率光纤光栅系统中干扰信号的形成机制，由于光栅在光纤中的位置分布问题，反射回来的调制脉冲光如果不经过处理就会使得各个脉冲混合从而无法精确解调，所以本文提出了一个用FPGA控制两个光开关从而实现对光纤光栅传感器的精确寻址，实现了噪声滤除和干扰信号的分离，最终实现光纤光栅中传感信号的精确解调。

关键词：超弱光纤光栅阵列，复用，解调控制，FPGA

Abstract

The development trends towards next generation of optical fiber sensing network are long distance huge capacity, and high sensitivity. The paper mainly concentrates on the development of multiplexing and demodulation techniques for optical fiber sensing network. With the aim to solve key problems of multiplexing and demodulation in ultra-weak hybrid network of TDM and WDM, this paper research on the problem to multiplex ultra-weak hybrid network, PGC demodulation principle, 3×3 coupler demodulation principle. Research on interference signal in ultra-weak FBGs, due to the location of optical grating, the modulated reflecting light can’t be demodulated if they are not processed, thus this paper propose a way, that is utilizing FPGA to control SOA to get the reflecting light of desired location, thus to separate the noise and signal, finally, we can achieve accurate demodulation.

Key words: ultra-weak FBGs, multiplexing, demodulation control, FPGA

目录

摘要……………………………………………………………………………………………I

Abstract………………………………………………………………………………………II

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景和意义 1

1.2光纤传感网络介绍 2

1.3 国内外发展现状 2

1.4 本论文主要工作 3

第2章 弱光纤光栅阵列的复用 4

2.1 弱光纤光栅阵列的复用原理介绍 4

2.1.1波分复用 4

2.1.2时分复用 5

2.1.3空分复用 6

2.2 光纤光栅传感器信号解调方法 6

2.2.1 PGC解调方法 6

2.2.2 3×3耦合器解调方法 7

2.3 本章小结 7

第3章 基于波长解调的准分布式温度/应变检测系统 8

3.1 系统原理简介 8

3.2 对光纤光栅传感器的寻址查询方案 8

3.3 本章小结 9

第4章 寻址查询方法实施方案 10

4.1 FPGA简介 10

4.2 程序简介 11

4.3上位机功能 12

4.4 FPGA实物图 13

4.5 FPGA产生波形结果 14

4.6 本章小结 14

第5章 总结与展望 15

5.1 总结 15

5.2 展望 15

参考文献 16

致谢 17

第1章 绪论

1.1课题研究背景和意义

光纤通信技术的快速发展带来了光纤传感技术的飞速发展。随后，伴着光纤制造行业的技术，计算机技术和光电子技术的不断发展，光纤传感技术的工程应用和研究取得了相当都有分量的成就，因而受到了大家的广泛关注和研究，逐渐发展成为了在光纤通信后又一光纤领域的应用技术。光纤光栅传感技术是融合了多门学科的全新传感技术，它的主要原理是以光信号为载体，光纤作为传输的介质，通过对外部环境的应力，温度，振动，磁场等多种多样的物理量引起的相应特征参量：比如相位，波长，偏振态，光强等变化量进行细致的检测，从而达到了对这些参量的精确测量的目的。相对于比较传统的电传感技术，化学传感技术，光纤传感技术本身具有一系列很有竞争力的优势：

1）质量轻，体积小，易挠曲。光纤材料自身拥有很多特点比如：直径小，质量轻，韧性好，还可以制成相当多不同尺寸和外形的传感器，用途广泛；

2）抗干扰性强。光纤作为一种耐腐蚀，耐高压的绝缘材料，又具有抗电磁干扰和适用于高压电，易燃易爆等环境的特点；

3）测量稳定高速。光信号在光纤中的传播过程不仅能够携带二维信息而且还很稳定速度也快，而且很适合于稳定高速的场所。在现今工程应用中，对地震波等信号的检测要求具有很高的频率响应而且稳定还要求很高，传统电传感的检测方法已经很难实现这个要求，但是可以通过高速分析来解决这个现象；

4）灵敏度较高。光信号相对灵敏的一种测量方法是光干涉测量。干涉型光纤光栅传感器的理论正在逐步研究改进，投入实际应用的产品也比较多，如法布里珀罗温度传感器，法布里珀罗水听器等等；

5）参数范围广。光纤光栅传感器可以监测的物理量较多：比如应变，压力，压强，流量，流速，液位，气体浓度，液体浓度等；

最近，光纤传感技术由于自身很有竞争力的一系列优势，受到了国内外科学研究和应用的极大重视。近些年来，研究光纤光栅传感器已经达到了深入各个民用和军用的相关领域，比如在航天事业，地震波探测事业，水听器，周界安防，建筑探伤行业等相关的领域都取得了不菲的成果。尤其是在军工方面的水听器研究和安防上的地震波检测还有周界安防上都有很大的用途，这几个领域就是现在光纤光栅传感器比较热门的几个应用场所，拥有极大的市场前景和潜力，是提后技术发展的主导方向，但是也给技术层面提出了很大的考验，所以要加紧技术的开发和研究争取做到最好，最快的适应市场前景和功能，因为对光纤光栅传感器的应用加大了力度和范围和它本身收到的极大的关注，速度快，精度高，范围广，测量参数多的特性成为了光纤光栅传感技术未来发展的大趋势。目前，光纤光栅传感网络技术在建筑探伤，水听器，地震波检测和周界安防等领域有了相当大的研究成果和不少的篇幅报道。

1.2光纤传感网络介绍

所谓光纤传感网络就是在单根光纤上接入数量巨大的传感器而组成的网络形式，由于不同的光纤光栅传感器传感方式不同，光纤光栅传感网络大致可以分为两种类型：一种是以光纤布拉格光栅(FBG）作为传感单位的点阵式传感器，通过时分、波分、空分、频分等复用方法形成准分布式传感系统^[1]；另外一种是基于光散射的方法：主要有光纤布里渊散射和光纤拉曼散射等再或者是光干涉的方法：主要有塞尼亚克干涉、瑞利干涉、马赫泽德光干涉等效应的分布式光纤光栅传感^[2]。

1.3 国内外发展现状

光纤光栅传感器的技术发展一直面临着一个极大地考验，就是如何实现动态和静态参量的多参量测量，比如温度，声信号，应力等。所以这就渐渐成为了光纤光栅传感器的研究特点受到了世界范围的关注，首先是英国的南安普顿大学，新加坡的南洋理工大学，加拿大的渥太华大学，国内有武汉理工大学，电子科技大学，中国科学院等在国际国内享有极大声誉的学校进行了深入的研究，也研究出了相当多的成果，关于此的报道也是层出不穷让人惊奇。比如在干涉型分布式光纤光栅传感器方面，在2010年，鲍晓毅研究小组在渥太华大学提出了基于外差检测Φ-OTDR系统，因此提高了Φ-OTDR的灵敏度、空间分辨率和测量距离^[3]；在2014年，饶云江等人在电子科技大学实现了长距离、高精度的通过拉曼散射放大的Φ-OTDR周界安防系统^[4]。谢孔利等人在基于大功率超窄线宽单模光纤激光器的Φ-光时域反射计光纤分布式传感系统中说明了相位敏感光时域反射的具体步骤与操作方法 ^[5]。以弱光纤光栅（wFBG )^[6]作为传感单元、基于时分复用（TDM）技术的光纤传感近年来也得到了相当大的关注。2013年，武汉理工大学的唐志浩在高速光纤光栅解调系统数据传输与监测软件设计中，提到了Labview的使用^[7]，更加方便，完成一次测量的时间只需要10s。总的来说，虽然现在的B-OTDA和B-OTDR技术已经达到了很高的一个水平但是在对一个要求实时响应和测量的场合下还是需要进一步提高水平。比如任宇等人提出一种光纤光栅传感器解调系统设计 ^[8]，但由于它的系统方式单纯采用了波分复用的复用方式，很难在实际工程中实现大规模传感；孙庆等人在2015年提出了一个基于衍射光栅的高速光纤光栅解调研究方法 ^[9]；刘红雨等人在对光纤光栅实现解调时采用了非均匀采用的方法 ^[10]，但由于仅通过光功率的大小来测量应变，应变的测量精度相对较低；F. Zaidi等人将拉曼光时域反射技术和光纤光栅传感技术相结合，同时对温度和应力等参量进行了监测^[11]，实现点阵式振动监测也实现了光纤光栅传感器的边缘滤波解调，但是有两个缺点，一个是测量的灵敏度欠佳，另一个是实现分布式振动检测有困难。

由于光线光栅传感器自身的得天独厚的优点，它在地震波检测，周界安防，水听器，和建筑探伤上得到了巨大的应用而且市场范围广泛潜力巨大，当时在实际工程应用中还有很多要注意的地方，比如如何增大它的精度，增加它的频率响应，增加它的复用数量，这些都给我们以后的研究工作提出了极大地考验，需要我们一步步的做好自己的工作，一丝不苟的面对我们所要做的东西，真正实现在做学术上不能有一丝半点的马虎才行

1.4 本论文主要工作

围绕基于时分和波分混合复用的大规模超弱光纤光栅传感网络复用和解调所存在的关键问题，本文研究了弱光纤光栅阵列的复用方法、PGC解调方法和3×3耦合器解调方法。研究超低反射率光纤光栅系统中干扰信号的形成机制，由于光栅在光纤中的分布位置问题，反射回来的脉冲光如果不经过处理就会使得各个脉冲混合从而无法解调，所以本文提出了一个用FPGA控制光开关从而获得我们所想要位置光栅的反射信号的方法，实现了干扰信号的分离，实现了光纤光栅传感器的精确寻址，从而最终实现了光纤光栅中传感信号的精确解调。

第2章 弱光纤光栅阵列的复用

2.1 弱光纤光栅阵列的复用原理介绍

在同一根光纤上复用多个光纤布拉格光栅传感单元形成了点阵式传感网络，这个就叫做光纤光栅传感网络，它的特点就是能够实现多点的同时测量。相对于分布式传感系统，全光纤传感已经不是多点测量能够满足的，从而有了将待测信号离散化的方法，这样来实现系统的分布式测量，因此这种系统又被叫做准分布式光纤光栅传感系统。弱光纤光栅阵列的复用方法有很多种比如：时分复用（TDM），波分复用（WDM），空分复用（SDM），频分复用（FDM），相干域复用(CDM )等。但是目前的研究现状是简单的使用两种方法的结合，各取所需和所长来实现我们想要的功能，比如说：时分复用加上波分复用，波分复用加上空分复用等，这些都是行之有效的方法。

2.1.1时分复用

时分复用的原理很简单，就是由于在一个光纤上有很多的光栅，它们在时域上的位置不同，所以它们反射回来的信号在时间上也有一个区分度，不同时间返回的信号代表了不同位置的光栅，正是利用了光纤光栅阵列的这种时域的特点，我们可以实现对同一个光纤上不同光栅的精确寻址，从而不用过多考虑光源带宽和待测量动态范围的限制，能够实现更加优良的测量，其传感网络原理图如图2.1所示。