光纤光栅传感器复用技术

1、光纤光栅信号解调技术，光纤光栅传感器复用技术光纤光栅信号解调技术信号检测是传感系统中的关键技术之一，传感解调系统的实质是一个信息（能量）转换和传递的检测系统，它能准确、迅速地测量出信号幅度的大小并无失真地再现被测信号随时间的变化过程，待测信息（动态的或静态的）不仅要精确地测量其幅值，而且需记录和跟踪其整个变化过程。从解调的光波信号來看，光纤光栅传感信号的解调方案包括强度解调、相位解调、频率解调、偏振解调和波长解调等。其中，波长解调技术具有将感测的信息进行波长编码，中心波长处窄带反射，不必对光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功率起伏进行补偿等优点，得到了广泛应用。如图1,在传感过程中，光源发出的

2、光波由传输通道经连接器进入传感光栅，传感光栅在外场（主要是应力和温度）的作用下，对光波进行调制；接着，带有外场信息的调制光波被传感光栅反射（或透射），由连接器进入接收通道而被探测器接收解调并输出。由于探测器接收的光谱包含了外场作用的信息，因而从探测器检测出的光谱分析及相关变化，即可获得外场信息的细致描述。相比而言，基于反射式的传感解调系统比较容易实现。检测场（a）反射式检割场（b）透射式图1光纤光栅传感解调系统由上述可知，光纤光栅传感器的关键技术是测量其波长的移动。通常测量光波长都是用光谱分析仪，包括单色仪和傅立叶变换光谱仪等。它的波长测量范围宽，分辨率高，能测量出微小的应变量，用于分布式测量

3、也极为简便，但它体积大，价格昂贵，一般都用于实验室中，不宜实际现场使用。在实际应用中，还必须利用光纤光栅的优良特性，研发高灵敏度、光能利用率高、稳定性好、性价比高的新型传感解调系统取代实验室中的光谱分析仪，以用于工程结构的现场实测与监控。目前比较典型的主要有以下儿种波长移动检测方案：光谱仪和多波长计检测法，边缘滤波检测法，可调谐滤波检测法，匹配光栅检测法，波长可调谐光源解调法，CCD分光仪检测法，非平衡M-Z干涉仪检测法等。1. 光谱仪和多波长计检测法在光纤光栅传感系统中，对波长移位最直接的检测方法是：利用宽带光源（如发光二极管LED）,输入光纤光栅，再用光谱仪（或多波长计）检测输出光的中心波

4、长移位心，如图2。该法结构简单，具有可携带性、经久耐用且易于使用和自动测试等特点，常用于实验室。反射光诺图2宽谱输入光谱仪检测示意图光谱分析仪是检测光波光谱的仪器，其工作原理如图3。在光谱仪中，通过调节衍射光栅的角度，使衍射光栅分离出不同的波长，分离出來的特定光波由反射镜聚焦到光阑孔/探测器；旋转衍射光栅可对波长范围进行扫描。使用光谱仪进行测量，在光功率、信噪比、信道增益方面能够得到较为理想的结果，对波长进行测量，分辨率可达O.OOlnm,基本可满足对光栅Bmgg波长移位量的分辨。若需要更精确的波长测量，可选用多波长计，其工作原理参见图4。在多波长计中，利用光波的干涉效应将同相位的光信号加强的

5、原理來对不用的光波进行区分。从光纤來的光信号在通过分束镜后，一部分由于反射到固定反射镜，然后返回；另一部分透射到可移动的反射镜，然后返回，这两束同源但不同路径的光束，在重新汇合时，某些特定波长的光信号将由于同相位而产生干涉、光强增加,被探测器捕获。对可移动反射镜进行微调，可改变两光束的光程差，以此来选择对不用光波的扫描。多波长计对波长的测试非常精确，分辨率可达0.0004imi,能看到系统的噪声平台，但在功率测量方面不如光谱分析仪。在光谱仪中，还有一种方案是通过傅立叶变换光谱法直接分析光纤Bragg光栅的波长光谱，如图5。來自光栅阵列的反射光入射到光纤Michelson干涉仪，其中，该干涉仪的

6、一端由压电光纤延伸器控制以改变相对光程。当光程差为零时，探测器会接收到拍频信号。在该方法中，光栅的反射离散波长导致了明显的音频信号。可通过外部扰动场对这种频率进行调制。在整个相干长度范围内，通过光栅反射光谱产生的干涉图，实现了对Michelson光程差进行扫描。FFT分析仪的分辨率为6xlO-6H乙这表示等价的波长移位分辨率为0.015nm,或转换为1550nm波长的应变分辨率为12“o图5光纤Founer变换光谱法检测传感光栅的原理光纤傅立叶变换光谱法克服了干涉波长移位检测中2龙检测范围的限制，提供了相当高的波长分辨率，在整个相干长度范围内，通过获得光栅反射光谱产生的干涉图，从而实现传感光栅

7、的波分复用，如图5所示。2. 边缘滤波器检测法基于边缘滤波器的线性解调原理如图6所示，这种边缘滤波器输出光强的变化量AZ与波长漂移量A-A.o成正比，该滤波函数可表示为F(A)=A(A-A0)(1)将从传感光栅反射回的、包含波长移位调制的光信号分成两束，分别送到两个不平衡的滤波器中，经滤波器后两光强相除，其结果就包含波长移位的信息。图6边缘滤波线性解调原理下图7所示的线性解调系统是利用体积光学线性边缘滤波器对应变场进行测量，由于该解调方案使用了两个不平衡的滤波器，乂称为分束非平衡滤波法。图7边缘滤波线性解调系统原理在图7中，从光纤Bmgg光栅返回的光均匀分为两束，一束直接送入探测器卩作为参考信

8、号；另一束则通过滤波函数为式（1）的线性滤波器，再送入探测(2)器2,反射光是谱宽为A2的Gaussian分布，则接收到的光强分别为】s=迈=/-Ao+=)=2，qR(3)(4)式中Is一一信号光强；1R参考光强；R一一光纤的反射率；A一线性滤波器的比例系数。由式可见，几和直接测量值厶/人呈线性关系，由此可求出动态的心值。这种检测方法基于光强检测，适用于动态、静态测量，具有较好的线性输出，测量范围与探测器的分辨率成正比。该方案的优点在于釆用了较好的补偿措施，能够有效地抑制光源输出功率的起伏、连接干扰和微弯干扰等不利因素，且系统反应迅速，成本较低，使用方便，在儿个md则量范围内，该系统具有儿十个

9、的分辨率。不足之处是系统使用体积光学滤波元件，其测量精度受到滤波器准直和稳定性的严重影响，故消弱了其便携性。并且，该系统也无法消除因耦合器分光比的起伏变化、光纤中的双折射等因素对测量结果的影响。例如，由于光纤中的双折射影响，其两偏振态的权重比人、儿将随机变化，光强比变成y-=A(尽鶴+凡兀)-204-从上式可见，光纤中的双折射影响将直接导致输出产生随机噪声。全光纤技术可克服体积光学滤波器的上述缺点。如图8所示的线性解调系统，使用光纤波分复用熔锥耦合器代替了体积光学滤波器，从光纤Bmgg光栅返回的光由WDM耦合器分成两束，分别送入探测器$和2,波长移位可表示为片+人(6)式中，P,-P2和人+匕

10、分别是WDM耦合器两输出端的耦合比例系数。图8WDM线性解调系统原理此方案虽基于光强检测，却是一种全光纤的解调方案，也适用于动态、静态测量，系统的应变与温度的分辨率分别为5“和0.5Co其突出特色在于提供了一种全光纤、便携式传感解调系统的实现途径，具有结构紧凑、功耗很低、价格便宜等优点，在相对较高的精度测量中，这是一个较为理想的解调方案。此外,若在上述两种方案中釆用光纤光栅传感器复用技术，还可以进行传感寻址，检测更多的探测点。此外，鉴于线性边缘滤波检测方案中，光电探测器输出的信号电平非常低，信噪比低，会降低系统的测量分辨率，压缩测量的动态范圉，乂提出了一种光纤光栅激光传感器，如图9所示。图9光

11、纤光栅激光器该传感器由一个980/1550mn的波分复用器和一段1.5m掺钩光纤和光纤光栅构成一只光纤激光器。掺餌光纤一端抛光渡银，制成全反射镜，与光纤光栅一起构成光纤激光器的选频谐振腔。由980imi的掺钛蓝宝石激光器作泵浦，光纤激光器的工作波长由光纤光栅确定。图右下方是掺餌光纤激光器的荧光谱图，激励功率达到阈值功率（约2.7mW）时，开始出现激光，增至4.9mW时，输出纯激光。轴向应力作用于光纤光栅，相应改变激光器的输出波长，同时激光器可以输出足够强的光功率。再将激光器的输出光送入线性比例探测器去解调，即可测量出光纤光栅的波长移动。这一方案提高了测量信噪比，可达到的应变测量分辨率为5.5“

12、8o3. 可调谐滤波检测法利用扫描光滤波器，如可调谐Fabry-Peiot（TFP）.声光可调谐滤波器（AOTF）等，可跟踪传感光栅的波长变化。（1）可调谐波长的光纤Fabry-Perot滤波器可调谐光纤Fabiy-Perot滤波器（FFP）己广泛应用于传感光栅的信号解调，其中，该滤波器可由Lorentz谱线形状的带通响应描述，典型的带宽为0.3imi,工作范围为儿十个纳米，受限于由两平面镜距离所决定的共振之间的自由光谱区（FSR）o滤波器的精细度F可定义为其典型值为120。其中右是滤波器的带宽。通过压电陶瓷（PZ）精确移动平面镜的间距，可改变Fabiy-Peiot腔的的腔长，从而实现滤波器的

13、调谐，参见图10o当前，可调谐FPF的扫描频率可达1kHz。该滤波器有两种工作形式：可检测单个光栅的跟踪（闭环）模式；可检测多个光栅的扫描模式。为保证光纤光栅的反射信号总能被FFP检测，FFP的自由光谱区应大于光纤光栅的工作谱区。图10可调谐波长的光纤Fabry-Pei-ot滤波器检测单个传感光栅的跟踪模式在上图所示的跟踪模式中，FFP固定于压电陶瓷，构成了可调谐FFP,使FFP的两端间距随外加交流电信号的改变。在自由状态下，光纤光栅的反射波长几在FFP的中心波长上，这时FFP由于受交流信号的调制，由于FFP的峰值两边相位相反，故产生倍频作用，即输出变为2的交流光强信号，与本征相混频得到和3的

14、输出，再经过低通滤波和积分器累加，总输出保持为零电平，此电平叠加到FFP的控制信号上形成闭环控制，使FFP的移位保持以心为中心。当外界因素，如应变作用于传感光栅上时，它的反射中心波长发生移位，变为心+心，与FFP失配，致使FFP的输出变为交流光强信号。经混频、低通滤波积分累加后，产生一直流输出，叠加在原來的交流信号上,强行将FFP的移位中心拉到九+九，重新完成新的反馈锁定。这时的输出控制电平就对应了外界应变的大小，其符号则对应了外界应变的方向。工作于波长扫描模式的FFP可用于检测多个传感光栅单元，这些传感单元的Bragg义波长和工作波长不交叠，但仍在光源和FFP的FSR的光谱包络范围内。图11

15、给出了可调Fabry-Perot滤波器同时检测多个光纤光栅的方案。）x.|开关图11可调谐波长光纤Fabry-Perot滤波器检测5x12个传感光栅的打描模式03召谡瑟翠接5X12牧传感光杨在图11中，Fabiy-Peiot腔由压电陶瓷驱动，且施加周期性的电压用以改变腔长，以实现对确定区域的波长进行周期性的滤波扫描。若选用的Fabiy-Perot滤波器具备与光纤Biagg光栅相当的带宽，施加的电压信号为均匀扫描着的周期性锯齿波，受其调制，滤波器在自由程内进行波长扫描时的波长范围能够覆盖传感光栅及其经诱导偏移后的全部Biagg波长，且來自传感光栅的信号滤波后，经线性光电转换器转换成电信号，放大后

16、输入示波器。此时，光电转换器、Fab1y-Perot滤波器和锯齿波信号发生器以及示波器组成的检测系统将执行光纤光谱仪的功能，它不仅可以对测量范围内各光纤Biagg光栅传感元的波长信息进行依次查询，而且将所测波长信息与偏移前波长信息进行比较，得到各传感元的波长偏移量，利用偏移量与所测量间的变化关系，便可判断对应传感元件所感测物理量变化的大小，达到解调的目的。可调谐光纤Fabry-Peiot扫描可跟踪多个光纤光栅以构成波分复用传感网，如图11。这种布局的分辨率主要由FFP的细度决定，可调谐FFP的细度一般低于400。这种传感网分辨率的典型值为IO-3inn（在MOimi范围内）。（2）声光可调谐滤

17、波器声-光可调谐滤波器（AOTF）是一种由射频（RF）驱动频率可调谐的固态光滤波器，其中，AOTF的波长调谐范围可宽至儿个毫米，时间响应可小于5kHz,并具有窄的光谱带宽。该器件可工作于多种模式，如分光计、颤动滤波器和跟踪滤波器等。若提供覆盖整个工作范围的宽带光源或光源组，AOTF可应用于大规模光纤Bragg光栅阵列的波长复用。利用AOTF中不同频率的多射频信号，原理上可实现多光栅的并行检测。声光可调谐滤波器有两种工作模式，即扫描模式和锁定模式。在扫描模式中,AOTF受电压控制振荡器（VCO）在传感波长范围内的调节，來自光栅的功率被记录下來；在锁定模式中，检测系统釆用反馈环來跟踪特定的光栅波长

18、，如图12o对给定的光栅和AOTF带宽，用于最大化跟踪误差信号的理想频率偏离为(8)如+忑81n2式中，乙是AOTF的带宽，久，是光栅的谱线宽度。上式表明频率偏离与滤波传输、光栅反射率和强度噪声无关。该技术可跟踪多光栅的波长，工作于传输和反射结构。光栅间的转换时间为50ms。图12声-光町调谐滤波器检测传感光栅的原理在图12中，平均AOTF的频率应变比为-96.7HZ/M。提高计量光栅的次数可改善检测的分辨率，因此，实际工作中在略长的检测期以得到AOTF的平均频率。对高反射光栅，当反射带宽近似于AOTF的带宽时，传输谱表现出最好的分辨率；而对低反射光栅，当光栅带宽小于AOTF的带宽时，反射形状

19、显示出更好的噪声性能。AOTF最宋出的优点在于它提供的多射频信号驱动可实现多波长信号的并行处理，如图13,其中，只使用了一支滤波器和一支探测器。在检测过程中，位于AOTF之后的光解调技术利用滤波分离出来自每只光栅的返回信号；接着,分离的光接收器为每个波段提供了一个输入到锁定环路和探测器；最后，电子解调技术利用一个提供相同振幅信息而颤动频率不同的接收器到两锁定环，每个锁定环将各自锁定所选定光栅的平均检测波长。实验表明，1300nm处的均方根误差为3应，而1550nm处的均方根误差为两波长之间有100ms的检测间隙。该解调技术的精度取决于每个锁定环输出频率的检测标准误差，其中，光解调技术受限于滤波

20、器，而电子解调技术却受限于在接收器中维持低串话颤动频率。图13声-光可调谐滤波器的电子解调原理若在小带宽内使用，AOTF的检测精度可得到很大的提高，比如，在-120mn的工作范围内，具有0.2nm带宽的AOTF给出的波长移位分辨率小于1pm。另外，高分辨率设备的温度稳定性值得研究，例如，3.3nm带宽的AOTF的温度系数为2.68kHz/C或0.03niMC；温度每变化1P将等价于28皿的应变。可调谐声光滤波器对多个传感光栅进行波长扫描可构成波分复用光纤传感网，如图13。基于AOTF的检测系统的测量精度和声光器件的温度稳定性密切相关，其分辨率在60nm范围内可达IO-?nm量级，由于声光器件无

21、任何机械移动装置，因而稳定性好、响应速度快，适合于传感阵列的高速扫描。传感器的串话干扰与滤波器的消光系数有关，当受扰光栅的工作波长趋向接近时，干扰也越大。不过，实际发生在基于WDM复用方案中的传感解调的串话是很小的。（3）可调谐半导体量子阱电子吸收滤波器利用量子限制的Strak效应，可对半导体量子阱电子吸收滤波探测器（QWEFD）的吸收边缘进行调谐，从而得到一种波长可调谐滤波器。在1550mn波长，应变分辨率为8,即波长移位的分辨率为9.7pm。QWEFD的响应与功率有关，输入的光功率不能低于3nWo可调谐半导体量子阱电子吸收滤波器为检测传感光栅的波长移位提供了一种小型化、方便、低价的解调方案

22、。4. 匹配光栅检测法在检测端设置一参考光栅，其光栅常数与传感光栅相同。参考光栅贴于一压电陶瓷片（PZT）上，PZT由一外加扫描电压控制，如图14。图14町调谐光纤Bragg光栅滤波器检测单个传感光栅的跟踪模式当传感光栅人处于自由态时，参考光栅心的反射光最强，光探测器输出信号幅度最高。这时控制扫描信号发生器使之固定输出为零电平，当传感光栅感应外界温度和应变时，心发生移位，使参考光栅的反射光强下降，信号发生器工作，使参考光栅的输出重新达到原有值，这时的扫描电压对应一定的外界物理量。图15并联参考光栅组成可调谐光纤Bragg光栅滤波器在图14中，参考光栅可采用并联或串联的形式检测传感光栅阵列。若釆

23、用并联的形式，用透射式方案，利用圆柱形压电元件PZT对FBG进行电解调，可通过测量由两只并联的参考光栅组成可调谐滤波器的波长变化来感测应变场，如图15。在图15中，传感光栅的Bnigg波长移位由闭合控制系统自动跟踪，可检测的最小应变为4.12o当光栅带宽窄到0.05nm时，应变的最小分辨率改进为1乂但是，光栅的带宽变窄，反射回來的信号也会减弱。用一组串联的参考光栅替代光栅的并行结构，这种方案有效提高了从传感光栅反射的信号光强，也减少了检测系统的光学器件，应变和温度的检测分辨率分别为2.8“$和0.2C。一种改进了的方案是采用具有有效透射模式的光栅，如图16所示，减小了光的有效损耗，提高了传感器

24、的灵敏度。传想汗列反馈图16透射匹配光栅检测传感光栅的原理匹配光栅检测的优点是：消除了双折射所引起的随机噪声，即对光纤内光的偏振、相位等易变量都不敏感，而且对最终检测的反射光强也无绝对要求，所以各类强度噪声都不会对输出结果有影响。但该方案的不足之处则是：系统的光损耗较大；系统的检测灵敏度由PZT的位移灵敏度决定，和光纤光栅的高灵敏度不匹配；PZT的非线性会影响输出结果；PZT的响应速度有限，使这种方法只适合于测量静态或低频变化的物理量。匹配光栅检测法对多个参考光栅进行波长扫描可构成波分复用光纤传感网，如图16。传感光栅的Bmgg波长移位由闭合控制系统自动跟踪，可检测的最小应变为4.12$。当光

25、栅带宽窄到0.05mn时，应变的最小分辨率改进为1“；但是，如前所述，光栅的带宽变窄，反射回來的信号也会减弱。5. 波长可调谐光源解调法可调谐窄带光源的调谐原理是窄带可调谐光输入光纤光栅，并周期性地扫描其输出波长以获取光纤光栅的反射谱（或透射谱），由每次扫描反射光最强时的扫描电压可知相应的波长值心。(a)扫描戡式DBR光纤3dB力噁器(b)锁定模式图17可调谐激光器用于光栅检测的原理如上图17所示为一种高精度的连续可调谐掺饵光纤激光器检测位于1550nm波段的传感光栅。该检测系统受限于激光器2.3iiin的波长调谐范围，可检测的最大温度为180C；检测精度受限于PZT的精度，即2.3pm或0.

26、18C。该方案最大的优点在于使用光纤激光器可以获得比宽带光源高得多的信噪比(SNR),并且获得了2.3pm的高分辨率；不足之处在于高精度的PZT调谐器价格通常昂贵，其调谐范围有限。并且，检测速度受PZT响应时间和控制回路的限制。PZT、AOTF窄带可调谐光输入多只光纤光栅，并周期性地扫描变化其输出波长以扫描各光纤光栅的反射谱，由每次扫描反射光在相关波长域内最强时的扫描电压可知相应的波长值几，从而实现WDM传感网络，见图17。6. CCD分光仪检测法利用衍射光栅等分光元件，将传感光栅的反射谱(或透射谱)经透镜准直后在空间展开，再用CCD同时直接测出各波长的相对光强，参见图18。光纤间距图18CC

27、D分光仪检测传感光栅的原理在图中，一块色散光学元件，通常是衍射光栅将入射光衍射到探测器的像素点上。该方法采集了每一只光纤Bwgg光栅沿整个扫描周期的反射光，因而反射率为1%的光栅提供的反射信号与扫描探测中反射率为95%的光栅提供的信号强度相当。接收到的波长被转换为沿探测单元阵列的位置信息，其波长分辨率由像素宽度描述的探测器表面的光栅线性色散所决定，单位为miVpixelo釆用该技术可获得小于1皿的应变分辨率，并且，CCD分光仪提供了一种检测传感光栅的空分和波分混合的复用技术，其中，由同一根光纤连接的传感光栅反射的Bmgg波长沿CCD的纵向分布，提供了波分复用技术；而不同光纤反射的光波经光纤阵列

28、入射到曲线光栅反射后沿CCD的横向分布。CCD分光法的优点是响应时间快，抗干扰能力强。不足之处是，对波长的分辨率的影响因素较多，诸如准直透镜的成像质量、焦距、衍射光栅的光谱分辨率、CCD的空间分辨率等。7. 非平衡M-Z干涉仪检测法如图19,在该检测技术中，来自宽带光源的光束被耦合到传感光栅，并被反射到一非平衡光纤Mach-Zehnder干涉仪中。若把Bragg光栅传感器引入的波长移位视为波长调制光源，则入射到干涉仪中的反射光就成了可调谐光源。非平衡M-Z光纤干涉仪对來自光纤光栅的反射光进行滤波处理，输出光强可表示为/(血)=A1+Rcos0(2b)+0(9)式中A一比例系数，与输入光强和系统

29、损耗成正比；k一一干涉条纹的可见度；0(血)一一干涉仪两臂的相位差=2刃/血：心一一来自传感光栅的反射光波长；(P一一随机相位差，属于噪声。由反射光波长移位心引起的干涉仪相位差变化为(10)式中&应变变化量；d一一两光纤臂的长度差;/一一纤芯饿有效折射率;厶一一MZ扫描干涉仪的光程差(OPD),=Bmgg光栅的归一化应变波长移位响应度，可表示为Abde(11)对于动态应变，则有(12)2加厶I#?,0(。=心sillcot=7-，占sillcot式(12)只考虑了单应变参量检测的情况。实验结果表明：通过平衡检测和相位补偿反馈，可有效抑制相位噪声0,对于动态应变信号获得0.6n/Hz1/2的分辨

30、率。该方案的优点是分辨率高；缺点是对准静态的检测不适用，因为当信号频率与的变化可比拟时，0很难抑制。图19非平衡M-Z干涉仪跟踪法原理图20给出了一种可用于准静态检测的改型方案，其特点是对非平衡M-Z干涉仪再加一个参考光栅，这相当于对接收到的信号外加一个频率为血的调制频率。信号光栅和参考光栅的反射信号经过带通滤波后再由相位计处理，可消除卩的干扰，使之适用于准静态应变测量，相位输出的长期稳定度可达0.5“e/h。图20外加调制的M-Z干涉仪跟踪法原理波长移位的干涉探测提供了高精度的应变分辨率，原理上，单个传感器的性能可由Bragg光栅传感器阵列中的独立单元所实现。具有不同名义Biagg波长的传感

31、器单元和波长选择单元共同组成检测系统以实现传感器的解调。可调谐FPF将宽带光源的光谱按每个传感器所需的波长范围进行分段，见图21。具有正弦转移函数的非平衡M-Z被用于整个光谱范围内的滤波，M-Z干涉仪的一只干涉臂由线性调频转发器产生的电子载波进行调制。经传感光栅扰动的载波信号受相位调制，可给出高分辨率的波长移位探测。由空分复用扩展出的八个传感器组成了动态和静态相位检测系统，其中，在1550mn处，7Hz的低频动态应变的分辨率为90n/Hz1/2;800iun处的静态应变的分辨率为1.8。图21利用有源带通方案的干涉仪检测Bragg传感器的波分复用原理图22利用无源带通方案的干涉仪检测Bragg

32、传感器的波分复用原理若在探测器前使用带通波分解调器（BWDM）,可实现无源波长滤波，如图22所示。这样，所有的传感器信号汇合起來，然后通过MZI同时进行滤波，产生的复合信号可通过BWDM进行解调。由四只传感器组成的系统，获得了600Hz的低频动态应变的最小分辨率为1.5/Hz3该系统的主要缺陷是由于线性调频转发器不可能对所有不同的Bragg波长都有2龙的调制，从而产生的循环相位误差。若使用声光调节器产生纯频率移位，可减轻循环相位误差。二.光纤光栅传感器复用技术分布式传感和传感器的复用是光纤传感器所独有的技术，它能实现沿光纤铺设路径上分布场的测量，显著降低系统成本，减少引线。光纤光栅通过波长编码

33、易于实现复用，这种复用光纤光栅传感器在大型结构如水坝、桥梁、重要建筑和飞行器等的安全监测方面有着极为广阔的应用前景。通过共亭光源和电子处理部分，随着系统中复用传感器数目的增加，每个传感器的花费将大大减少，这将增强光纤传感器对传统机电类传感器的竞争力。光纤传感网络采用的复用技术包括时分复用、空分复用、波长和频率复用及相干复用等。由于光纤光栅传感直接测量的是反射波长（或透射波长）的移位，因此其传感网络的主要结构是波分复用（WDM）,其次是时分复用（TDM）和空分复用（SDM）o由于速率、串话、信噪比和波长带宽等因素的影响，以上每种技术复用的传感器一般不超过10个。因此，发展出了多种复用技术相结合而

34、构成的复杂传感网络，比如，空分复用技术结合其他复用技术可有效提高传感器的复用数量。1. 波分复用波分复用技术在可提供的光源光谱范围内，对每只光纤Bmgg光栅传感器进行了独特的光谱编码，光谱确定了传感器的工作范围，也与特定的空间位置有关。波分复用的直接优势是传感光栅的物理间距与波长分辨力无关。在前文中，己经分别论述了光纤Founer变换光谱法、可调谐滤波器、非平衡M-Z干涉仪检测、波长可调谐光源和匹配光栅的WDM方案，这里就不再一一详释。2. 时分复用在TDM中，相邻传感光栅反射脉冲的距离与脉冲在这两个光栅之间往返的延迟时间成正比。根据往返的时间延迟，这些有时间间隔的输出脉冲被分别做了反射标记。

35、2.1TDM和干涉探测时分复用的光纤光栅传感网如图23所示，该传感网由4只光纤光栅组成，光栅之间用光纤延迟线隔开，每根延迟线长为5m,解调光路为一个非平衡的M-Z干涉仪,光源为1300nm的ELED提供了250“W的光功率，系统信道之间的串话小于30dB,在频率大于10Hz时，其应变分辨率为2n/Hz172o图23光纤光栅传感网的TDM原理若用一个集成光学波长鉴别器代替MZI,可提供静态应变分辨率为2“8的8个传感器组成的TDM系统。时分复用的主要缺陷是随着复用的传感器增加输出信号的对比度和信噪比会降低，一般可复用的传感器不会超过10个，此外它还受限于光源输出功率和光纤网的损耗。2.2 TDM

36、+WDMWDM允许对一根光纤上的多个传感器进行检测，然而，由于Bnigg光栅的反射率一般小于lOdBm,仍然还残存了大部分光源能量。若结合WDM和TDM,则光源光谱可用于更多的传感器。图24给出了串联、并联和分支三种拓扑结构。串联结构对多个波长分段的Biagg光栅阵列进行级联，参见图，其中，每个阵列之间有一段延时光纤。脉冲光源提供的光谱带宽一方面覆盖了传感器的工作范围，另一方面被光纤上接续的光栅按距离进行反射，而这些光脉冲也先后入射到探测器。这些探测器仅在光脉冲发射后一段选择的时间窗口才能响应反射信号，因此，可探测传感器组成的WDM组。该方法可检测100个传感单元。该方法的缺点是，在级联的阵列

37、结构中，尽管光栅的反射信号在时间上可得到分离，但波长上的交叠会产生串话，或称为多反射或光谱阴影串话。光谱阴影串话是由光两次通过上游光栅而产生的一种下游光栅光谱的失真。若这两个光栅的中心波长只是有轻微的偏移，光谱阴影串话会使得下游光栅在实际的偏移方向移位的更多。多反射串话起因于多反射延迟的光路，來自光栅的反射光在到达探测时间窗口内乂会分配给另一个下游光栅。采用低反射率光栅可减小这种串话。在图所示的串联结构和图所示的分支结构中，通过增加耦合器，选用具有较高反射率的光栅，可有效消除光谱阴影串话,但会降低光能效率。波长探洌系统低反射率光栅的串联系统(c)分支网络图24Bragg光栅的WDM+TDM传感器阵列的拓扑结构3. 空分复用在点式传感器的应用中，可能需要传感器在工作时是独立的、可互换的、可代替的。然而，串联的WDM和TDM方案提供