摘 要

光纤布拉格光栅传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、复用容量大以及长期工作稳定等优点，并且其易受温度、应变、气体浓度等多种环境变量的影响，易于监测环境参量的变化情况，因此在桥梁工程、工业生产以及航空航天等多个领域得到了普遍的应用。随着时代的发展，工程中对光栅传感网络的要求日益复杂，需要复用的传感器数量也越来越多，而传统的复用技术却受到了多种限制，难以满足人们的需求。后来随着弱反射光纤光栅的出现，人们发现采用该种光栅构成传感网络能明显提高复用能力与传感距离，但基于弱光栅传感网络的解调系统却存在系统复杂、成本过高等问题。

因此，为实现低成本、大容量、长距离的多点监测，本文选择中心波长、反射率等光学参数均一致的弱反射光纤光栅来构建时分复用传感网络，基于光时域反射（Optical Time-Domain Reflector, OTDR）技术搭建解调系统，大大增加了系统的复用容量。窄脉冲光发生部分以DFB激光器为核心构建，利用DFB激光器电流调谐速度快、温度调谐范围广的特点，直接利用高速脉冲电流驱动DFB产生脉冲光，控制DFB的工作温度实现波长扫描，大大简化了光路，降低了系统成本。解调系统通过WLAN与上位机通信，上位机采用C#进行设计，主要用于显示光栅光谱、波长等参数及初始化等设置，系统界面人性化，操作简单。

关键字：全同弱反射光纤光栅；光时域反射；DFB激光器；C#

Abstract

Fiber Bragg grating sensor has the advantages of high sensitivity, anti-electromagnetic interference, large reuse capacity and long-term stability, it is easy to be affected by temperature, strain, gas concentration and other environmental variables, and it is easy to monitor the change of environmental parameters, it has been widely used in many fields, such as bridge engineering, industrial production and aerospace. With the development of the optical fiber sensing technology, the requirements of the grating sensor network in the project are becoming more and more complicated, and the number of sensors that need to be reused is also increasing. The traditional multiplexing technology is subject to various restrictions, so it is difficult to meet people's needs. With the appearance of the weakly reflective optical fiber grating, people found that the multiplexing capability and sensing distance of the sensor network based on the weakly reflective optical fiber grating can significantly improve, but the demodulation system is complicated and high cost.

Therefore, in order to realize the multi-point monitoring which is low cost, large capacity and long distance, this paper will choose the weakly reflective optical fiber grating with identical optical parameters such as the center wavelength and reflectivity to construct time division multiplexed sensing network, the demodulation system based on optical time domain reflectometry has greatly increased the multiplexing capacity of the system. The DFB laser is used as the core to produce narrow pulses of light, based on the DFB laser’s advantages that the fast current tuning and wide temperature tuning. Directly using the high-speed pulse current to drive the DFB to generate pulsed light and control the working temperature of the DFB to achieve wavelength scanning, that can greatly simplifies the light path, reduces system cost. The demodulation system communicates with the host computer through the WLAN, and the host computer adopts the C#. It is mainly used to display the parameters such as grating spectrum, wavelength and other parameters, and initialization. The system interface is user-friendly and simple to operate.

Keywords: Identical weak reflection FBGs, Optical Time Domain Reflection (OTDR), DFB lasers, C#

目 录

第一章 绪论 1

1.1 课题的研究背景与意义 1

1.2 相关领域国内外研究现状 2

1.2.1光纤光栅波长解调技术研究现状 2

1.2.2 光纤光栅传感网络复用技术研究现状 4

1.3 本文的主要研究内容 6

第二章 光纤光栅温度传感网络及解调原理 7

2.1光纤光栅基本原理 7

2.2 弱光纤光栅温度传感网络 9

2.2.1 光纤光栅温度传感数学模型 9

2.2.2 全同弱光栅传感系统的复用能力分析 10

2.3弱光栅温度传感系统的解调原理 10

2.3.1 DFB激光器光源工作原理 10

2.3.2 光时域反射技术（OTDR）原理 14

第三章 温度传感网络的解调系统设计与测试 16

3.1 解调系统结构设计 16

3.2 弱光栅温度传感网络解调算法设计 17

3.2.1 高斯拟合算法 17

3.2.2 解调算法的实现 19

3.3 弱光栅温度传感网络解调系统上位机设计 21

3.4 全同弱光栅温度实验 22

第四章 总结与展望 25

4.1 全文工作总结 25

4.2 展望 25

参考文献 26

致谢 27

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

20世纪七八十年代，随着光纤通信技术的迅猛发展，光纤传感技术也应运而生，并逐步成为光纤研究领域的一个重要研究方向。如今，光纤传感技术已经成为了国家信息化程度高低的一个标志，在国防军事、能源环保、矿产开发、医药卫生、建筑设计以及航空航天领域都实现了对温度、振动、压力等不同物理量的监测^[1]。而在众多的环境参量中，温度是工程实施和科学实验中常常需要监测的环境变量，同时也和人类生活息息相关，因此对它的监测十分重要。

光纤光栅是一种无源传感器件，具有抗电磁干扰、化学性能稳定、安全可靠、体小质轻等特点，并且其测量范围广，易受多种环境变量的影响，如温度、应变、气体浓度等，因此在光纤传感领域得到了广泛的应用^[2]。在煤矿、石化、核工业等易燃易爆的环境下，相比传统电类传感器，光纤光栅传感器能耐高温、耐腐蚀，而且结构更稳定，所以被大量用于在特殊环境下测量温湿度、有害气体浓度及火灾报警的监测。随着工业的发展，为达到更好的、更全面的监测，一个光纤光栅传感网络中需要复用的光纤光栅传感器的数量越来越多，这就对光纤光栅传感网络的复用技术的要求更高，同时，为获取更准确的环境物理参数的变化情况，对光纤光栅解调系统的要求也日益提高。因此，对大容量、高精度、高分辨率、高效率的光纤光栅传感网络及其解调技术的研究是如今非常重要的研究方向之一。

如今，光纤光栅传感网络的复用技术主要有时分复用、波分复用、空分复用以及这几种的混合复用方式^[3]。但波分复用由于光源带宽的限制，单根光纤上能复用的光栅数很少，最多就几十个；空分复用技术则因为通道数的制约，复用的光栅数也不多；而时分复用技术的复用容量则相对前两种较高些，得到较为广泛的应用。当采用反射率、中心波长和带宽等光学参数均相同的弱反射光纤光栅以时分复用方式构成传感网络时，因为光栅反射率较低，复用能力和传感距离都可显著提高。