摘 要

光纤布喇格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）传感器是新兴发展起来的一种先进传感器，在测量温度、应变、加速度等物理参量时具有突出技术优势，现已广泛应用于建筑物结构健康监测、复杂机械系统动态监测等领域。FBG属于光纤传感器的一种，通过对FBG反射光谱中心波长漂移的监测即可测量外界参量的变化，其中光纤光栅波长信号的解调是实现光纤光栅传感网络的关键技术。随着科学技术的不断发展和时代的不断进步，现有的光纤光栅传感技术已不能满足社会发展的需求，大容量、低成本、快速解调是光纤光栅传感技术今后的重要发展方向。随着光纤光栅制作工艺的逐步提高，弱反射光栅以至超弱反射光栅的出现让光纤光栅传感网络得以进一步发展，然而现有的弱反射光栅传感网络解调技术存在响应速度慢、精度不够等问题。本论文在对比各种光纤光栅高速解调方法的基础上，基于超弱反射光纤光栅的特点，着重研究了基于色散补偿光纤的准分布式超弱全同反射光栅的高速解调方法，该方法对于光纤光栅传感技术的推广而言具有重大的意义。

关键字：光纤传感，超弱反射光栅，高速解调，色散补偿光纤

Abstract

Fiber bragg grating (FBG) is a newly developed optical fiber sensors in resent decades and it has remarkable advantages in the measurement of temperature, strain, acceleration and other physical parameters. It has been widely used in civil engineering, the structural health monitoring of buildings and dynamic monitoring of complicated machanical system. FBG sensor is a kind of optical fiber sensor, which can measure the change of the external parameters through monitoring the center wavelength shift of the FBG reflection spectrum. Whereas the wavelength signal demodulating of FBG is the key techniques to carry out fiber grating sensing network. With the development of science and progress of the era, the exsiting techniques of optical fiber gratingsensing systems has been incapable of social development needs, thus large capacity,low cost and fast demodulation is being an essential development direction from now on. As the craftsmanship of the optical fiber grating advances, the emergence of weak reflection FBG and super-weak reflection FBG has led the optical fiber grating sebsing network to a further step. However, the existing techniques of weak reflection FBG sensing network demodulation still has some downsides, such as low response rate and low precision, etc. In this article, based on the characters of FBG and in comparison with other demodulating means, the method of high speed demodulation of quasi-distributed super-weak reflected FBG is highly valued and plays a vital role in the popularization of the FBG sensing technology, which is based on dispersion compensation fiber.

Key words: optical fiber sensing, super-weak reflection FBG, high speed domodulation, dispersion compensation fiber

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究目的与意义 1

1.1.1设计目的 1

1.1.2设计意义 2

1.2国内外研究现状 2

1.3论文研究内容 3

第2章 相关技术原理 5

2.1光纤光栅传感原理 5

2.1.1光纤光栅温度传感模型 6

2.1.2光纤光栅振动传感模型 6

2.2光纤布喇格光栅解调技术与方法 7

2.2.1干涉解调法 7

2.2.2滤波解调法 8

2.3基于色散补偿的准分布式光栅阵列解调相关技术与原理 9

2.3.1光纤光栅时分复用原理 9

2.3.2基于色散效应的解调原理 10

2.4本章小结 11

第3章 解调系统的设计与测试 12

3.1基于色散补偿的光纤光栅解调系统设计 12

3.1.1窄带脉冲激光器的设计 12

3.1.2基于色散效应的准分布式光栅阵列解调系统设计 13

3.2解调系统的构建 15

3.3解调系统的测试 16

3.3.1温度信号的解调 16

3.3.2应力信号的解调 18

3.3.2振动信号的解调 19

3.4本章小结 20

第4章 总结与展望 21

4.1 全文总结 21

4.2 工作展望 21

参考文献 22

致 谢 23

第1章 绪论

1.1研究目的与意义

在当今的信息化社会中，信息的采集、传输、分析及其处理是极为重要的。信息的采集一般由传感器完成，传感器将采集到的信息用其固定的形式输出，再经过相应得分析处理转换为人们需要的信息。光纤传感器拥有较高的测量分辨率，能够对多种物理参数提供高精度的检测，并且相较于传统的机电类传感器，其具有很多显著的优势，如不受高温、腐蚀、强磁场等恶劣环境的影响，易大规模复用组网，能实现远距离实时监控，物理体积小便于布设等^[1]，光纤传感器的种种特点使其在传感领域受到广泛的关注及应用，智能化光纤传感系统也逐步发展起来。光纤光栅传感技术现已广泛应用于安全生产中，如桥梁及隧道健康检测、瓦斯监测、煤矿地下工人定位、应急救援、周界防盗、列车定位等等^[2]。光纤光栅应用于传感检测的基础是其谐振耦合波长随外界参量变化而发生变化，即外界物理量如压强、温度、振动、气体浓度会影响光纤光栅的纤芯折射率和光栅周期参数^[3]。也就是说，光纤光栅的中心波长与外界环境的参数具有某种对应关系，而利用这种对应关系我们就可以通过解调光纤光栅中心波长的漂移量来实现目的信号的感测。

1.1.1设计目的

光纤布拉格光栅(FBG)因其在光通信和光纤传感等领域具有可观的应用前进而成为近年来国内外相关学者关注的热点之一。在工程应用中，如大型机械装备、结构健康监测及环境监测时对应力场、应变场、温度场、浓度场等空间分布随时间变化参数的测量，往往需要大范围分布式多点传感，通过布置大量的传感器，以获取离散信息数据来综合描述场的分布特征^[4]。光纤光栅传感系统实用化推广的关键在于如何进行有效的信号解调，对于目前研究成熟的光纤光栅传感系统，需要对物理量所调制的光纤光栅的中心波长进行探测，凭借精密的波长或波长变化检测装置对光纤光栅中心波长的微小偏移量进行解调，其系统成本高，难以遍及各个研究生产领域，从而限制了光纤传感技术的应用。分布式光纤光栅传感技术一般利用波分复用技术和时分复用技术，在一根单模光纤中串接成百上千个光纤光栅传感器，当宽带光入射到传感光纤中，每一个不同位置的FBG都会作为一个反射节点，反射回一个携带传感器光谱信息的窄带光波，通过分析波长域或时域的差异可以区分出各个传感器，从而将单点光纤传感器阵列化，实现空间多点的同时或分时传感^[5]。分布式光纤传感技术是通过分析传感光纤沿线的光信号频率、强度、相位等参量的分布情况，获取在连续范围内待检测物理量随时间和空间变化的分布信息，并且该技术沿袭了光纤传感的长距离、大范围的连续、长期传感的优点。分布式光纤传感系统利用了阵列式的光纤光栅传感器，在保证实现对待测物理量的分布场值测量的基础上，通过单一通道实现了对多个测试信号的采集，从而减少了测试数据采集设备所需的通道数量，降低了系统测试成本，在大规模组网和长期多物理监测等方面的优势使其成为如今大规模光纤传感的一个重要发展方向^[6]。

在工程应用中，往往需要对一些物理量如温度、振动等信号的记录和分析，相较于传统的电类传感器而言，光纤光栅传感器因其为无源器件、体积极小、耐腐蚀性好、抗电磁干扰等特有的先天有利物理性质在一些特殊场合得到了广泛应用。但在某些特殊的领域，由于对分布式光纤光栅传感网络的解调速率有较高的要求，或对分布式传的检测点数有较高要求，而现有的光纤光栅传感网络技术受到解调速率和光纤光栅复用量的限制，无法满足部分工程应用的需求。本设计主要研究准分布式超弱全同光纤光栅的高速解调方法，在提高光纤光栅复用量的基础上探究更高速、更有效的解调方法，以使光纤光栅传感技术能更合理、更高效地应用于实际工业工程。

1.1.2设计意义

虽然就目前而言，光纤传感网络技术的应用应经相当广泛，但在一些特殊的领域，例如，高速公路的系统设施检测维护中需要对大量桥梁、隧道、涵洞等进行多出的振动信号检测；在机械损伤探测中，需要对多点的超声波信号进行检测；对于大型机械旋转、爆炸冲击波测量分析、航空发动机检测等高速振动的测量分析就需要对多点分布式传感网络进行高速的解调。现有的光纤光栅波长解调技术主要包括：可调谐F-P滤波器法、电荷耦合器阵列法、边缘滤波法、匹配光栅法等^[7]，各解调方法都有其对应的适用范围。可调谐F-P滤波器法的解调速率受限于移动器件可调谐F-P滤波器的调谐速度，其解调频率一般低于2kHz；CCD（Charge-coupled Device）阵列解调技术的解调频率最高能达数kHz；边缘滤波法解调是基于光强变化进行解调，其解调速率可达3kHz，但是解调过程中测量精度受光强扰动的影响比较大，稳定性差，不适合动态解调；匹配光栅解调技术受其解调方法的限制，不适用于准分布式光纤光栅阵列解调，而且解调速率一般低于100Hz。由此可知，现有光纤光栅解调速率较低的问题，致使光纤传感在某些特殊领域应用受限，因此实现光纤光栅的高速解调成为当前迫切需要解决的问题之一。

另一方面，相较普通布拉格光栅而言，超弱反射光栅（≤0.1%）的反射率较低。较低的光纤光栅反射率能够降低入射光和反射光经光纤光栅反射的损耗，同时也可以大大减小甚至可以忽略各个光栅间多径反射的影响，进而提高传感网络的复用容量。超弱反射光栅的这些优良特性可以满足工程上对长距离、大容量准分布式光纤光栅传感的需求，因此，研究高速的、全同超弱反射光栅的解调技术，对实现高速率、大容量光纤光栅传感具有良好的意义与价值，或可解决现有光纤传感技术在特殊工程领域中的应用难题。

1.2国内外研究现状

关于FBG光纤光栅的高速解调，国内外相继进行了积极探索研究。2008年，韩国釜山大学Jung等利用傅里叶锁模扫频激光技术，实现了31.3 kHz的FBG传感阵列高速解调^[8]；2009年，日本东京大学的Nakazaki团队基于色散调谐技术构建了一种FDML扫频激光器，进而实现了40kHz的解调速率；2014年，美国北卡罗莱纳州立大学van Hoe等 采用微机电可调谐光检测器实现了13个复用光纤光栅阵列的 100 kHz高速解调^[9]。在国内，2004年，南开大学光学研究所报道了一种长周期光纤光栅边沿滤波的线性解调法，该方法基于光强度测量，解调速率可达数十kHz^[10]。2007年，天津大学李丽等采用非平衡Mach-Zender干涉结构，根据相位载波零差法对相位进行解调，进而实现光纤光栅波长的高速解调，实验验证了10kHz的解调速率^[11]。2015年，武汉理工大学刘泉等 采用分布反馈式激光器(DFB)进行光谱扫描，现了1nm光谱范围内100kHz的FBG光纤光栅高速解调^[12]。但上述高速光纤光栅解调方法应用时存在局限性，如FDML扫频激光法激光谐振腔较长，受外界环境变化干扰，稳定性不足；可调谐光检测器法受限于MEMS结构，调谐速率难以进一步提升；边沿滤波法基于光强度测量，光强扰动将影响解调准确性；干涉仪法受环境干扰较大，仅能检测动态信号；DFB激光器光谱扫描法仅能实现1nm范围内高速扫描，光谱范围太小。

另一方面，对于光栅的复用技术，国内也开展了相关的研究，华中科技大学张满亮等实现了4个反射率为6%的FBG光纤光栅的复用，测得的温度测量精度为0.12℃，光栅间隔为20m^[13]。中国计量学院光学与电子科技学院张彩霞等系统成功实现了对20个反射率仅为0.01%的超弱反射光栅高信噪比的解调与定位,并且测得的FBG中心波长随温度变化的线性度超过99.7%^[14]。燕山大学张燕君等实现了9个反射率为3%的FBG光纤光栅的复用，测得的温度测量精度为0.5℃，光栅间隔为10m。武汉理工大学 李政颖等实现了单根光纤上200个间隔为20 mm、中心波长为1552.8 nm、反射率仅为0.1%的全同超弱反射光纤光栅的解调，在-10℃~80℃的温度范围内，各个光栅的中心波长随温度变化的线性度达到99.6%^[15]，由以上实例可见，对于弱反射光栅的复用技术的研究也是国内外研究的热点，提高分布式光纤光栅的复用量对于高效率的、大范围的环境监测、安全检测等具有重大意义。

1.3论文研究内容

随着光纤光栅制作工艺的提高，反射率成为可控制因素，弱反射光栅的应用可以大大提高光纤光栅的复用量，在分布式光纤光栅传感系统中有较大应用。然而现有的弱反射光栅传感网络解调技术存在响应速度慢、解调速率偏低等问题，针对该问题，本论文着重研究了基于色散补偿光纤的准分布式超弱全同反射光栅高速解调方法，简单介绍了干涉解调、滤波解调等解调方法。利用色散补偿光纤的延时效应实现波长——时间的转换，通过构建主动锁模激光器，得到高速窄脉冲光输出，从而搭建高速的全同超弱反射光栅解调系统，完成了温度与振动信号的实验测试。本文共分为四个章节：

第一章：绪论。介绍了准分布式全同超弱反射光栅解调方法的研究背景与意义，阐述了分布式光纤传感网络的优势，介绍了国内外弱光栅解调技术的发展现状，在对大容量光纤光栅传感网络进行了简单调研的基础上提出现有弱光栅解调速率慢的问题。

第二章：相关技术原理。本章主要讲述了光纤光栅的传感机理及其温度传感模型和振动传感模型，系统性的阐述了光纤光栅传感网络的解调方法，并对其优缺点与适用性进行了简单分析，介绍了基于色散效应和光的时分复用系统的解调系统的工作原理。

第三章：解调系统设计，本章内容主要有两大部分。第一部分介绍了高速率窄脉宽激光器的可选方案及最终设计，讲述了本设计中外调制激光器的构建，并对其输出特性进行了测试。第二部分讲述了基于色散补偿的光纤光栅解调系统的设计，并完成了对温度和振动信号的测量。

第四章：总结与展望。本章主要对本论文的研究内容进行了简单总结，并基于目前的发展现状和本次设计中遇到的问题，对未来的发展方向提出几点建议和展望。

第2章 相关技术原理

2.1光纤光栅传感原理

光纤布喇格光栅是利用掺杂锗、磷等元素的光纤具有光敏性的特点，并通过特殊的制作工艺使光纤纤芯的折射率沿光纤的轴线方向周期性的永恒性变化，从而在纤芯内形成光栅结构。其中，光纤布喇格光栅的工作原理是通过某种制作技术，在纤芯内形成一个以共振频率为中心的窄带滤光器或者反射镜，透射式光纤光栅相当于一个窄带带阻滤波器，反射式光纤光栅相当于一个窄带带通滤波器。FBG光学原理图如下图2-1所示，光纤由纤芯和包层组成，光纤中传输的入射光遇到光纤布喇格光栅时，满足条件的光会反射回来，其他部分的光则会透射出去。由下图可知，入射光经过反射式光纤光栅时，入射光分为两束：透射光和反射光，且透射光光谱加反射光光谱即是整个入射光光谱。