光纖布拉格光柵傳感復用模式發展方向

祁耀斌，吳敢鋒，王漢熙

(1. 武漢理工大學 光纖傳感技術國家工程實驗室，湖北 武漢，430070；2. 武漢理工大學 數字制造湖北省重點實驗室，湖北 武漢，430070)

光纖布拉格光柵傳感器(Fiber Bragg grating sensor，FBGS)以其靈敏度高和易復用組網等優點，在狀態監測領域得到廣泛的應用。基于FBGS的傳感檢測系統早已實際用于工程領域，如橋梁、隧道、石油、化工、電力和安全防護等[1-4]。但是對于大型復雜結構和分布式結構，光纖布拉格光柵傳感器網絡(Fiber Bragg grating sensor network，FBGSN)的應用尚不多見。同時，FBGSN的探測靈敏度、采樣頻率和網絡容量，尚無法滿足實用要求。

為了挖掘光纖巨大帶寬潛力，提高光纖通信容量，光復用技術應運而生。光復用(Optical multiplexing，OM)是指利用光波自身特性(波長、時間、副載波、編碼等)和光纖傳輸特點(低損耗、高速率等)，在一根或多根光纖中同時互不干擾地傳播多路光信號，根據光波的波長屬性、時間屬性、編碼屬性、副載波屬性及空間通道屬性，OM的主要實現方式見表1[5-7]。

表1 光復用形式Table 1 Optical Multiplexing Form

光纖布拉格光柵復用(Fiber Bragg grating multiplexing，FBGM)是在光復用(OM)的基礎上發展起來的，其工作機理是在單根光纖上通過光物理參量的選用與匹配，形成多類光復合組合形式，建構多個或多類傳感器，實現多點準分布式監測。基于反射波自身特性和光纖傳輸特點，在共用一套光源和信號處理系統的基礎上，FBGM包括如下主要形式：

(1)根據反射波的波長屬性——各個不同布拉格波長的傳感信號擁有不同的反射波長——實現波分復用(Wavelength division multiplexing，WDM)；

(2)根據反射波在光纖中傳輸的時間屬性——不同傳感信號到達信號處理器的時間差異——實現時分復用(Time division multiplexing，TDM)；

(3)根據光纖多路復用技術——各并行傳感信號分配到不同支路——實現空分復用(Spatial division multiplexing，SDM)。

作為光纖光柵復用(FBGM)的3大經典復用形式，WDM，TDM 和 SDM 在最近 20年得到了廣泛研究[8-10]。但是，WDM 受到光源帶寬和布拉格波長變化范圍限制，TDM受到光源功率、布拉格光柵反射功率和FBGS之間的串擾(Crosstalk)的限制，SDM受到光源帶寬利用率和功率利用率低的限制，這些問題構成了經典FBGM的技術瓶頸，極大限制了FBGSN的工程應用。

許多學者試圖通過改進布拉格光柵、光源系統和信號檢測系統，以提高傳感網絡的復用容量和采樣速率，以構建高速率和大容量的FBGSN。

本研究旨在探討 WDM，TDM 和 SDM 等經典FBGM的發展歷程和典型結構，通過復用容量、理論模型和工程應用等3方面分析和比較，討論光纖布拉格光柵傳感復用模式的發展方向。

1 光纖光柵傳感經典復用形式

1.1 波分復用(WDM)

光纖光柵的傳感機理是通過測量布拉格反射波長來感知外界物理量，于是基于不同波長范圍尋址的WDM直接應用于FBGSN。寬帶光源入射到一根光纖中具有不同布拉格波長的多個光柵傳感器，各傳感光柵反射回不同波長的光波，通過FBGS占據的波長范圍來判斷傳感器的地址，實現WDM方案(見圖1)。

圖1 波分復用機理Fig.1 Mechanism of WDM

1.1.1 WDM的發展歷史

早在1970年，光波分復用(OWDM)的概念就被提出，并應用于光纖通信[11]。隨著OWDM在光纖通信領域逐漸成熟，人們開始將WDM應用于光纖光柵傳感領域。

早期的WDM方案受到FBG解調技術的限制，整個WDM復用系統比較復雜，復用容量和采樣速率等參數都難以滿足工程實用要求。

Blair和Cassidy[12]提出一種基于WDM的光纖光柵傳感網絡(見圖2)，其核心思想是通過對傳感器反射波強度的調制解調實現溫度傳感，通過觀測反射波長范圍實現感知位置尋址。

這一方案的問題在于，對于反射波強度的調制解調增加了系統的復雜性，精度也不高，并且基于光譜儀的解調方法也不適合工程應用，從而限制了FBG復用系統應用和發展。

針對反射波強度調制解調帶來的FBG傳感缺陷，學者們進行檢測反射波長實現 FBG傳感的研究。Jackson等[13]提出了一種WDM并行接收技術結構(見圖3)，每一個傳感FBG匹配一個接收FBG，以實現多點同時測量。但這種并行接收方案增加了系統硬件結構的復雜性，而且伴隨復用傳感器數量的增多，系統的復雜度不斷增加。

基于不同波長范圍尋址的WDM，系統結構復雜，沒有充分利用復用技術共用同一套解調系統的優點，Brady等[13]提出了一種波分復用串行接收方案(見圖4)，該方案系統結構較為簡單，共用解調系統，在提高效率的同時，也降低了系統成本。但此方案的問題在于，波長檢測系統分辨率不高，復用容量也受到較大影響。

1.1.2 WDM的典型結構

隨著光纖光柵波分復用技術的逐漸成熟，形成了一種普遍認可的典型物理結構(見圖5)。

寬帶光源照射進光纖光柵傳感器序列，在寬帶光源波長范圍λH內，每一個布拉格波長由對應波長的FBGS反射回來；當外界環境導致溫度或應變變化時，各反射波在各自波長范圍內變化(見圖6)；通過解調系統檢測波長變化值可以實現溫度或應變等物理參數的感知；同時，可們根據 FBG的波長范圍尋址對應的FBGS位置。

圖2 強度調制波分復用傳感網絡Fig.2 Intensity modulation WDM sensing network

圖3 基于并行接收方案的FBG波分復用網絡Fig.3 FBG wavelength division multiplexing network based on parallel receiving scheme

圖4 基于串行接收方案的FBG波分復用網絡Fig.4 FBG wavelength division multiplexing network ased on serial receiving scheme

圖5 典型波分復用傳感系統結構Fig.5 Typical WDM sensing system architecture

圖6 光源入射光譜與FBG反射光譜對照Fig.6 Comparison of light source incoming spectrum and reflective spectrum

本方案中，FBGSN的采樣速率不受傳感器復用規模的影響，但傳感器復用容量受光源帶寬和和FBG對應波長幅寬的限制，難以應用于準分布式檢測。

1.1.3 WDM的性能與討論

(1)理論模型。若寬帶光源帶寬為B，功率為P，FBG1，FBG2，…，FBGN的布拉格波長分別為，，…，，在感知溫度、應變和壓力等參數變化的情況下，各傳感器的波長變化量分別為Δλ1，Δλ2，…，。令第i個傳感器 FBGi的波長變化范圍為Range[FBGi]，則

同時成立，則Range[FBGi]是唯一的。

因此，WDM 只需選擇合適的布拉格波長，使式(2)和式(3)同時滿足，通過Range[FBGi]就可實現任一傳感器FBGi的位置尋址。

若

成立，則

式中：ηB為光源帶寬利用率。

實際上，ηB不可能達到 100%，式(4)當然也不可能成立，但為了充分利用光源帶寬和盡量多地復用FBGS，工程實踐中將盡可能地降低傳感器帶寬間隔，使ηB盡可能地接近于100%。因此，WDM的光源帶寬利用率要求盡可能地趨高。

令光源功率利用率為ηp，FBGi的反射功率為Pfi，則

由式(6)可知：ηp與 FBGi的反射功率Pfi和 FBGi數量規模N有關，當Pfi一定時，ηp會隨著FBG數量規模N的增加而變大。

(2)復用容量。WDM采用波長范圍尋址，檢波算法采用峰值檢測法(Conventional peak detection，CPD)[14]。CPD要求Range[FBGi]之間互不重疊。若傳感網絡復用容量為C，FBG的平均變化范圍為Δλ，當Range[FBGi]恰好互不重疊，即ηB=100%，則有

由式(7)可知：對于40～50 nm的光源帶寬，當有±2 nm的波長變化范圍時，FBGS的數量規模一般不會超過30個點。

(3)工程應用。FBG傳感系統是以布拉格反射波長為調制信號，通過解調得到布拉格反射波長信號實現物理參數的傳感。因此，WDM 是最直接和最實用的復用技術。FBG解調系統由干涉儀或者濾波器等波長選擇器件、硬件系統和軟件系統等組成(見圖7)。

圖7 解調系統組成Fig.7 Composition of demodulation system

由圖7可知：波長選擇器件影響著反射波長解調精度，硬件系統影響著FBG系統成本和解調精度，軟件系統影響著FBG系統的解調精度和復用容量。

由于WDM共享傳感解調的硬件系統，只需在軟件系統中增加波長范圍選擇算法即可實現 WDM 方案，這使得傳感系統制造成本大為降低，易于實現工程實用。

基于WDM的FBG傳感系統已廣泛應用于橋梁、隧道、電力和石化海洋等領域[15-19]。例如，黃俊斌等[15]提出的基于 F-P濾波器解調的 WDM 系統(見圖8)，其寬帶光源入射進FBGS陣列，反射信號經耦合器進入可調諧F-P濾波器，由壓電陶瓷驅動F-P濾波器的輸出波長線性變化。在控制系統的作用下，F-P濾波器掃描整個光柵反射信號，當F-P濾波器的透射光和FBGS的反射光重合時，探測器獲得最大光強，對應的驅動電壓就對應著FBG反射波長，從而實現波長解調，其最高掃描頻率達200 Hz，分辨力達5 Pm，是一種滿足工程實用的波分復用FBG解調方案。

圖8 基于F-P濾波器解調WDM系統Fig.8 WDM system of demodulation based on F-P filter

1.2 時分復用(TDM)

光纖光柵時分復用可以突破光纖光柵波分復用所受到的光源帶寬和光柵波長變化范圍的限制，從而大大增加傳感器的復用個數。

光時分復用(OTDM)機理是從提高每個波道所能攜帶的信息量入手來增加傳輸容量，其工作原理是讓各路信號在信道上占用不同的時間間隔，也就是把時間分成均勻的間隔，將各路信號的傳輸時間分配在不同的時間間隔內進行傳輸，從而達到互相分開、互不干擾的目的。光纖光柵時分復用是在OTDM基礎上發展起來，通過FBGS反射波信號到達解調系統的時間間隔不同分離出 FBGS。光源系統產生調制型脈沖光信號，各個FBGS反射回特定波長的脈沖信號，解調系統接受到反射信號的時間是不同的，通過不同的返回時間尋址各FBGS，實現時分復用(見圖9)。

1.2.1 TDM的發展歷史

早期的 TDM方案受解調技術的制約，整個傳感系統的波長分辨率不高，光柵的高反射率也使得復用容量非常有限，這導致光纖光柵 TDM系統一直停留在理論研究階段。Weis等[20]通過傳統時分復用完成了對4個光纖光柵傳感器的尋址(見圖10)。

圖9 時分復用機理Fig.9 Mechanism of TDM

圖10 早期的光纖光柵時分復用傳感系統Fig.10 Previous FBG time division multiplexing sensing system

寬帶光源經脈沖調制器調制為脈沖光源，FBG反射脈沖分時到達MZ干涉儀解調系統，實現FBG傳感與尋址。但圖10所示系統的低功率寬帶光源和寬帶寬等限制了FBG的分辨率和復用容量。

針對 TDM 系統對于高功率光源的要求，Chan等[21]提出了一種基于可調激光源的光纖光柵 TDM系統(見圖 11)。

圖11所示方案實現了4個FBG壓力傳感器的傳感和尋址，可達到較高的壓力分辨率，但這個方案的波長分辨率受到多通道間信號波的相互干擾，并且由于結構復雜和光功率損耗較大，限制了 TDM 復用容量。

圖11 FBG傳感陣列時分復用系統Fig.11 Time division multiplexing sensing system of FBG sensor array

1.2.2 TDM的典型結構

經過多年的發展，已經開發出由脈沖光源、延時光纖和解調系統等組成的TDM工程結構(見圖12)。

圖12 典型時分復用傳感系統結構Fig.12 Typical TDM sensing system architecture

在圖 12所示的結構中，脈沖光源由解調系統控制，產生周期性的脈沖光信號，在一個周期內，傳感器FBG1，FBG2，…，FBGn分別反射回一個脈沖光信號。延時光纖實現各反射脈沖信號的時間分離，各FBGS到達解調系統的時間分別為τ，2τ，…，nτ。解調系統將不同的時間間隔與各FBGS對應起來，從而實現時分復用。圖13顯示了一個周期內光源和FBG傳感器的脈沖信號。

圖13 TDM系統脈沖信號Fig.13 Pulse signal of TDM system

1.2.3 TDM的性能與討論

(1)理論模型。脈沖光源發出帶寬為B、功率為P的脈沖波；在 TDM方案中，各傳感器采用相同布拉格波長λB的FBG，波長變化量為Δλ；傳感器FBG1，FBG2，…，FBGn通過延時光纖分別延時τ，2τ，…，(n-1)τ，從而在不同時刻內反射回脈沖波。

從FBG1反射脈沖波到達波長檢測系統開始記時，設第i個傳感器FBGi到達解調系統的時間為TFBGi，則

由式(8)可知：TFBGi是唯一的，每個 FBGi對應一個唯一的TFBGi；因此，通過TFBGi可以實現TDM。

式中：ηB為光源帶寬利用率；Δλ為波長變化量；B為脈沖光源發出帶寬。

從式(9)可知：ηB與布拉格波長變化范圍和帶寬有關，在波長變化范圍一定的條件下，光源帶寬越窄，光源帶寬利用率越高。

式中：ηp為功率利用率；Pfi為FBGi的反射波功率；P為脈沖波的功率。

從式(10)可知：ηp與FBG反射波功率、光源功率和FBG的數量規模有關，在光源功率和FBG反射波功率一定的條件下，光源功率利用率隨著FBG數目N的增加而提高。

(2)復用容量。由式(8)～(10)可知：TDM既有的時域編碼特性不受光源帶寬B限制，僅受光源功率P和FBGi反射功率Pfi的影響，令復用容量為C，FBGi平均反射功率為ΔPfi，則

由式(11)可知：若采用高功率光源和低反射率FBG，復用的傳感器數目將非常可觀。

在實際應用中，FBG的反射率一般大于-20 dB，它們之間存在著較大的串擾[22]，影響了傳感器復用數目；伴隨著FBG數量規模的增加，最后一個FBGn反射回信息的時間(n-1)τ也會增加，系統的實時性將伴隨復用規模的擴大而逐步變差。

(3)工程應用。TDM復用布拉格波長相同的FBG傳感器，簡化了FBG傳感器的制作工藝，降低了制造成本。但TDM所特有的串擾極大地影響了復用容量，系統性噪比將隨著傳感器數量規模增加而降低，導致TDM方案的工程實用較少[23]。

1.3 空分復用(SDM)

WDM和TDM方案采用串聯拓撲結構，無法滿足大規模復雜結構監控系統對于FBGS相互獨立和可交替性工作的要求。基于光空分復用(OSDM)，光纖光柵傳感空分復用(SDM)逐步發展起來，將FBGS的反射波分解到不同通道，在空間通道結構上實現復用。光源信號入射進 FBGS，各反射信號分別通過各自的光通道到達解調系統，實現空分復用(見圖14)。

圖14 空分復用機理Fig.14 Mechanism of SDM

1.3.1 SDM歷史研究

Yao等[24]提出了空分復用溫度壓力傳感系統，能夠實現對 32個相同布拉格波長傳感器的解調(見圖15)。

圖 15方案采用分光器和光開關將多個并行傳感器分配到不同通道，再通過邁克爾遜干涉儀進行波長解調，并對4通道傳感器進行實驗研究，溫度和壓力分辨率分別為175:1和400:1。這一方案成為SDM方案的原型結構，它擁有 SDM 方案并聯拓撲結構的優點，也存在SDM方案普遍的缺點(例如，光源功率和帶寬利用率不高，實時性較差，等等)。

1.3.2 SDM典型結構

光纖光柵結構較為統一，一般由寬帶光源、解調系統、光開關和并聯 FBG陣列組成，典型結構見圖16。

寬帶光源進入并行FBG陣列，各布拉格波長相同或不同的FBG1，FBG2，…，FBGN的反射波通過高速切換光開關依次選通，分別占據一個光通道，再通過解調系統依次檢測相應變化波長，實現FBG傳感與復用。

1.3.3 SDM性能分析

(1)理論模型。寬帶光源發出帶寬為B，功率為P的光波，在1×N光開關的掃描周期內，產生了N個光通道，分別為C1，C2，C3，…，CN。令第i個 FBG所占據的通道為在光開關的作用下，有

由式(12)可知：FBG的CFBGi是唯一的，每個FBG對應一個CFBGi，因此，通過CFBGi可實現SDM方案。

式中：ηB為光源帶寬利用率；B為寬帶光源發出帶寬；Δλ為波長變化量。

圖15 早期的光纖光柵空分復用傳感系統Fig.15 Previous FBG spatial division multiplexing sensing system

圖16 典型空分復用傳感系統結構Fig.16 Typical SDM sensing system architecture

由式(13)可知：光源帶寬利用率ηB僅與FBG反射波長變化范圍和光源帶寬有關。一般地，反射波長變化范圍為1 nm，寬帶光源帶寬為40 nm，光源寬帶利用率只有1/40左右，因此，SDM的光源帶寬利用率較低。

式中：ηp為功率利用率；Pfi為FBGi的反射波功率。

由式(14)可知：光源功率利用率ηp僅與光源功率和 FBG最大反射功率有關，光源功率一般遠遠大于FBG反射功率，因此，SDM 方案的光源功率利用率也很低。

(2)復用容量。由式(12)～式(14)可知：SDM的復用容量不受光源帶寬B和光源功率P的限制。在不考慮系統實時性的前提下，可以復用的傳感器非常可觀。但是隨著通道數N值的增大，光開關掃描周期會變長，整個系統的采樣速率也隨著下降。因此，在保持傳感監測實時性(保持一定采樣速率)的前提下，SDM可復用的傳感器數目非常有限，一般不超過32個。

(3)工程應用。由式(12)～式(14)可知：單獨使用SDM時，光源功率和頻帶利用率都非常低，極大地浪費了頻帶和功率資源，并且SDM方案的復用容量和采樣速率是相互矛盾的，因此，單獨的SDM方案的工程實踐很少，一般是與WDM方案或TDM方案聯合復用，這既能在很大程度上利用光源功率和帶寬，還能在保持一定采樣速率的前提下提高復用容量。SDM和WDM聯合復用網絡已大量工程應用，比較典型的 SDM 和 WDM 聯合復用解調方案見圖17[25]。

圖17中，SLED寬帶光源經過F-P濾波器形成隨時間周期變化的掃描光信號，當F-P濾波器投射波與傳感光柵反射波重合時，各PIN的電壓最大，此時的掃描電壓對應于FBG反射波長，每通道通過WDM尋址，不同通道構成SDM。此解調系統測量準確度可達幾個微應變級，可靠性良好，可同時檢測上百個物理量，已廣泛應用于能源、橋梁、航空和航天等領域。

圖17 波-空分復用解調系統Fig.17 Wavelength-spatial mulplexing demodulation system

2 復用改進

光纖光柵傳感復用系統主要光源系統、FBGS系統和解調系統組成(見圖18)。

圖18 FBG傳感復用系統Fig.18 FBG sense mulplexing system

然而3大復用技術都有著各自的限制，無法滿足現代大規模和準分布式傳感網絡的要求，見表2。

為了突破WDM，TDM和SDM的固有限制，研究者通常采用 2種方法改進光纖布拉格光柵傳感系統，一是通過組合復用，將WDM，TDM和SDM集成使用；二是通過改進復用系統結構，即改進光源系統、FBGS系統和解調系統。

2.1 組合復用

以組合方式為劃分規則，成大致可分為波分-空分組合復用，波分-時分組合復用，空分-時分組合復用和波分-時分-空分組合復用。這些組合復用方式在一定程度上吸取了各種基本復用的優勢，也在一定程度上克服了各種基本復用的缺陷，但由于復用結構和檢波系統的差異，效果不盡相同。國內外有關光纖布拉格光柵組合復用的研究概況見表3。

2.2 改進FBGS系統

FBGS系統的布拉格光柵選擇性反射特定波長光信號，如果修改布拉格光柵參量，將可改變光信號的反射波波長λB和反射波功率Pfi。目前已有通過改進FBGS系統的布拉格光柵提高復用性能的報道，其主導思想是多光柵編碼復用(Multi-Grating coding multiplex，MGCM)和弱光柵復用(Weak grating multiplex，WGM)。

2.2.1 多光柵編碼復用

MGCM 是用多個光柵來表示一個傳感器，多個Range[FBGi]共同決定一個光柵傳感器，可有效提高復用容量[31-34]。

姜德生等[31-32]提出了一種大容量編碼光柵復用技術(見圖19)，可大大提高復用容量。

圖19中，在每個傳感器位置刻入2個特定布拉格波長的光柵(一般的，光柵的中心波長在1 300 nm和1 550 nm窗口范圍內)，假定這2個光源的帶寬為30 nm，每個布拉格光柵傳感器探頭的波長漂移范圍為2 nm，如果采用一維編碼技術，可復用的傳感器點數為15+15(見式(7))，但是如果使用二維編碼技術，則可復用的傳感器數目為15×15，因此，復用容量就提高到225。文獻檢索表明，暫沒發現此技術的工程應用。

Choi等[33]提出了光譜標記法(Spectual tag multiplexing)來提高復用系統容量(見圖20)。

圖 20中，在光纖預定的傳感器同一位置寫入 2個不同的布拉格波長光柵，由于各個相鄰光柵譜間距各不相同，使每個傳感器的2個光柵間的波長間距互不相同，使得通過不同波長間距編碼實現傳感器的尋址。這種編碼方式簡單、成本低，但隨著復用傳感器的增加，所需譜寬也要進一步增加。隨后，Choi等[34]對上述進行了改進(見圖21)，使用相同波長間距的光柵，進一步擴大了復用容量。

表2 復用技術的限制Table 2 Restraint of multiplexing technology

表3 組合復用研究情況Table 3 Combined multiplexing status

圖19 編碼光柵傳感系統Fig.19 Encoding bragg grating sensing system

圖20 基于不等譜編碼間距的光譜標記復用系統Fig.20 Spectral tag multiplexing sensing system with unequally spaced spectral codes

圖21 基于相等譜編碼間距的光譜標記復用系統Fig.21 Spectral tag multiplexing sensing system with equally spaced spectral codes

2.2.2 弱光柵復用

WGM 是指降低光柵反射波功率Pfi，由式(11)可知：降低Pfi，可以有效提高TDM的復用容量，而且低反射率光柵在很大程度上降低了各光柵傳感器之間的串擾，從而提高復用性能[20,35]。

目前，光纖光柵傳感系統一般采用高反射率(反射率≥-20 dB)光柵傳感器，較大的Pfi限制了復用容量C，并且高反射率會導致光柵傳感器之間出現嚴重的串擾現象。因此，弱光柵復用成為發展方向。

Dai等[35]提出了一種新型 TDM 結構健康監控系統，通過使用SOA光源和環形腔放大低反射率光柵傳感器信號，可復用100個以上的傳感器(見圖22)。

圖22 弱光柵時分復用傳感系統Fig.22 Weak FBG time division multiplexing sensing system

圖22中，SOA在傳感網絡中作為放大器，由脈沖發生器驅動產生一個短脈沖信號，各弱光柵傳感器反射回小部分信號，通過延時光纖L實現延時，從而實現大容量TDM傳感系統。

Wang等[22]報道了一種基于超低反射率光柵(反射率＜-30 dB)的時分復用結構(見圖23)，弱光柵間極小的串擾可使復用點數提高到1 000個以上，通過時分復用結構，能同時測量串聯鏈路上的全部傳感器。

在圖23所示的復用系統中，可調激光器經過光電調制器發出短脈沖光信號，射入弱光柵序列，反射回不同時間間隔的短脈沖，通過光電二極管轉換為電信號，2個EDFA(摻餌光纖放大器)用來放大光信號功率，通過不同的時間間隔實現各FBGS的分離。

2.3 改進光源系統

光源系統為光纖傳感光柵提供一定功率P和帶寬B的光波。改進光源系統，可導致光源帶寬、功率以及光波形式的改進。

圖23 弱光柵時分復用傳感系統Fig.23 Weak FBG time division multiplexing sensing system

目前，已有通過功率增強型光源(Power enhanced light source，PELS)和調制型光源(Modulated light source，MLS)而改進復用方案的報道。

2.3.1 功率增強型光源

PELS主要用于提高 TDM 系統復用容量或提高SDM 復用通道數，見圖24。對于TDM系統，由式(11)可知：光源功率P變大可提高TDM的復用容量C；對于SDM系統，典型的SDM系統是使用光開關分別選通不同光路，對光源功率要求不高。但對于改進的SDM系統[25]，光源同時入射到所有光通道，增強光源功率時，可有效提高SDM通道數。

圖24 PELS改進復用系統Fig.24 PELS enhanced multiplexing system

Chan等[21,36]提出將可調激光器光源用于TDM傳感系統(見圖25)，來提高TDM傳感系統的實用性。

圖25 可調激光器時分復用系統Fig.25 TDM system based on tunable laser

在圖25所示系統中，可調激光器發出高功率窄帶光源，由光脈沖調制器和脈沖發生器調制成短脈沖信號，入射進樹狀拓撲結構的 FBGS，反射脈沖信號通過光電探測器轉換成電信號供探測系統處理，通過不同時延的延時光纖實現不同的時間間隔尋址。可調激光器在一定程度上增強了TDM系統的光源功率，有效提高了復用容量。

吳薇等[37]提出自主研發的可調諧窄帶光源用于波-空分復用系統(見圖 26)，可將傳感通道數增加到32，大大提高復用容量。

圖26中，可調諧窄帶光源主要由半導體光放大器(Semiconductor optical amplifier，SOA)和 F-P 濾波器組成，SOA輸出光功率相比于傳統寬帶光源顯著提高，可調諧窄帶光源輸出光譜周期性變化的高功率光信號，周期性掃描各通道FBGS，每通道內FBGS通過WDM實現尋址，各通道通過SDM完成尋址。基于SOA的可調諧窄帶光源有效地提高了光功率，增加了復用通道數目。

圖26 基于可調諧窄帶光源波-空分復用系統Fig.26 Wavelength-spatial division multiplexing system based on tunable narrow source

2.3.2 調制型光源

MLS是指對光源光信號參數(光強、頻率等)進行調制，經各FBGS反射后，解調出調制信號，實現各傳感器的尋址(見圖27)。

圖27 調制型光源復用系統Fig.27 Multiplexing system based on MLS

Koo等[38]報道了一種基于碼分多址(Code division multiple access，CDMA)的密集WDM復用系統(見圖28)。即使在各個傳感器布拉格波長重疊的情況下，這種光源調制型復用方案依然可以從復用信號中分離出傳感信號，突破了布拉格光柵動態變化范圍的限制，增大了復用容量。

圖 28中，通過偽隨機序列(PRBS)調制可調激光器，輸出一組脈寬不等的脈沖光源，入射進 FBGS，反射布拉格信號通過光電探測器轉換為電信號，解調系統再通過自相關算法分離出各個傳感器信號。對 2個布拉格波長相隔0.3 nm的FBGS進行實驗，成功分離出2個FBGS，并通過理論可實現單根光纖上超過100個FBGS的尋址。

圖28 CDMA復用系統Fig.28 CDMA multiplexing system

Chan等[39]提出了連續波頻率調制(FMCW)技術，FMCW技術是指對寬帶光源的光強度進行調制，使各個傳感器信號在頻域內分離并使用可調光濾波器解調出傳感信號，從而實現復用(見圖29)。

圖29 FMCW復用系統Fig.29 FMCW multiplexing system

圖29中，寬帶光源由壓控振蕩器和信號發生器調制成鋸齒波或三角波信號，入射到FBGS序列，反射信號經過可調光濾波器和光電二極管后與壓控振蕩器的參考信號混合，輸出信號通過解調系統分離出各FBGS。通過對6個壓力傳感系統進行實驗，串擾限制在-30 dB，并獲得了2 με的分辨率和較高的信噪比，將FMCW技術用于FBG傳感系統，結合WDM技術，可實現超過100個傳感器的尋址。

Breglio等[40]提出了一種啁啾脈沖頻率調制(C-PFM)技術，通過對激光脈沖光強進行調制，在不增加系統結構復雜性的前提下，提高了傳感復用容量(見圖 30)。

圖30中，SLED光源經過強度調制后輸出激光脈沖束，入射到FBGS序列，反射信號通過線性濾波器到達信號采集系統，通過自適應濾波分離各 FBGS。通過實驗驗證了尋址FBGS的理論，理論上可實現單根光纖上超過50個FBGS的尋址。

圖30 C-PFM復用系統Fig.30 C-PFM multiplexing system

2.4 改進解調系統

對于光纖光柵復用系統，解調系統不僅直接影響整個系統的檢測精度、分辨率和成本等問題，而且還會影響到復用網絡的容量和性能。常用的FBG解調方法主要有匹配光柵濾波法、非平衡M-Z干涉解調法和F-P濾波解調法等。目前應用最為廣泛的是F-P濾波解調法，穩定性高，實用性好，已有大量工程應用。但 F-P濾波器解調系統一般采用峰值檢波法(CPD)，當反射信號較弱或者反射信號波長變化范圍重疊時，系統的解調精度則會大大降低。因此，CPD檢波法要求布拉格光柵反射波長變化范圍Range[FBGi]不能重疊，使各FBG反射波長平均變化范圍Δλ較大，由式(7)可知：Δλ較大時，復用容量C受到較大限制。因此，CPD檢波法大大限制了復用容量。

改進解調系統主要是指發展先進的檢波算法，來達到提高復用系統性能的目的。大量學者開始提出先進的檢波算法，試圖在光柵反射波長范圍重疊時仍能準確的分離出波長值，大大縮短了波長范圍值Range[FBGi]。由式(7)可知：Range[FBGi]變小時，Δλ變小，復用容量C變大。因此，先進的檢波算法可大大提高傳感系統的復用性能。

Chan等[41-42]提出了通過遺傳算法(GA)和模擬退火技術(SA)檢波來波分復用網絡的復用容量。當各傳感光柵的頻譜部分重疊甚至完全重疊時，即各Range[FBGi]部分重疊或完全相同，通過GA和SA依然能夠精確、快速分離出波長漂移值。GA主要通過選擇、翻轉和突變3個過程來實現FBGS的譜分離；SA是一個自由導數優化方法，像固體退火一樣解決一些組合優化問題，相比與GA，SA的運行速度更快。按照圖31建立了實驗平臺，分別進行了實驗。

對2個布拉格波長近似相同的并行光柵傳感器進行了實驗，成功的檢測并分離出了傳感信號。

圖31 GA和SA檢波法實驗系統Fig.31 Experimental system of GA and SA

3 結論

(1)布拉格光柵反射信號的不同尋址方式決定了FBG復用模式的不同機理，分別形成了WDM，TDM和SDM。不同的尋址機理決定了WDM，TDM和SDM的關鍵技術指標，并成為了現在復用容量、精度和實用性的瓶頸問題。解決WDM，TDM和SDM的瓶頸問題需要從聯合3大經典復用方案和改進復用結構系統上來完成。

(2)基于光纖布拉格光柵的傳感器的核心工程價值在于多物理場的實時在線監測，這種實時在線監測一方面可以為大規模工程系統，尤其是巨大規模工程系統，乃至臨界工程系統的健康診斷提供依據，更為重大的是將為物理系統運行原理設計提供全域基礎數字數據集團。可以相信，基于光纖布拉格光柵傳感器實時數據提取的數字設計工程將是數字制造的一個重大科學前沿，而且必將顛覆現有的工程設計模式。

(3)基于光纖布拉格光柵傳感器實時數據提取的數字設計工程的關鍵前提是構建大規模準分布式光纖布拉格光柵傳感器網絡(FBGSN)。FBGSN有3個發展方向，一是實現分布式實時測量，二是組建大規模傳感網絡，三是探索統一復用機理模型。

[1]姜德生, 何偉. 光纖光柵傳感器的應用概況[J]. 光電子·激光,2002, 13(4): 420-430.JIANG De-sheng, HE Wei. Review of applications for fiber bragg grating sensors[J]. Journal of Optoeletronics·Laser, 2002,13(4): 420-430.

[2]Antunes P, Varum H, Andre P. Optical FBG sensors for static structural health monitoring[C]//12th East Asia-Pacific Conference on Structural Engineering and Construction, Hong Kong, 2011: 1564-1571.

[3]Lee J H, Kim S G, Park H J, et al. Investigation of fiber bragg grating temperature sensor for applications in electric power systems[C]//International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials. Bali, Indonesia, 2006:431-434.

[4]Rao Y J. Recent progress in applications of in-fiber bragg grating sensors[C]//Optical and Fiber Optic Sensor Systems. Beijing,China, 1998: 429-441.

[5]鄒自立. 光復用技術[J]. 光通信技術, 2001, 25(3): 172-176.ZOU Zi-li. The technology of optical multiplexing[J]. Optical Communication Technology, 2001, 25(3): 172-176.

[6]Kani Jun-ichi, Katsumi I, Takamasa I. Optical multiplexing technologies for access-area applications[J]. Selected Topics in Quantum Electronics, 2006, 12(4): 661-668.

[7]Henry P S. Optical wavelength division multiplex[C]//IEEE Global Telecommunications Conference. San Diego, USA, 1990:1508-1511.

[8]Kersey A D. Multiplexed bragg grating fiber sensors[C]//Proceedings of The 1994 IEEE Leos Annual Meeting. Boston, USA, 1994: 153-154.

[9]姜德生, 范典, 梅加純. 基于 FBG 傳感器的分復用技術[J].激光與光電子學進展, 2005, 42(4): 14-19.JIANG De-sheng, FAN Dian, MEI Jia-chun.Multiplexing/Demultiplexing technology based on fiber bragg grating sensors[J]. Laser&Optoelectronics Progress, 2005, 42(4):14-19.

[10]鮑吉龍, 章獻民, 陳抗生, 等. FBG傳感器網絡技術研究[J].光通信技術, 2001, 25(2): 84-88.BAO Ji-long, ZHANG Xian-min, CHEN Kang-sheng, et al.FBG sensor network technology[J]. Optical Communication Technology, 2001, 25(2): 84-88.

[11]Hideki I, Junichiro M, Kiyoshi N. Review and status of wavelength-division-multiplexing technology and its application[J]. Journal of Lightwave Technology, 1984, LT-2(4):448-463.

[12]Blair L T, Cassidy S A. Wavelength division multiplexed sensor network using bragg fiber reflection gratings[J]. Electronics Letters, 1992, 28(18): 1734-1735.

[13]饒云江, 王義平, 朱濤. 光纖光柵原理及應用[M]. 北京: 科學出版社, 2006: 178-184.RAO Yun-jiang, WANG Yi-ping, ZHU Tao. Principle and application of fiber bragg grating[M]. Beijing: Science Press,2006: 178-184.

[14]林志航, 元秀華, 胡進. 基于頻譜相關技術的 FBG波長偏移檢測[J]. 傳感器技術, 2007, 141(3): 54-57.LIN Zhi-hang, YUAN Xiu-hua, HU Jin. Wavelength shift detection in fiber bragg grating sensors based on spectrum correlation[J]. Study on Optical Communications, 2007, 141(3):54-57.

[15]黃俊斌, 尹進, 張心天, 等. 波分復用分布式 FBG 傳感網絡[J]. 光通信研究, 2003, 22(12): 9-11.HUANG Jun-bin, YIN Jin, ZHANG Xin-tian, et al. WDM distributed FBG sensor network[J]. Journal of Transducer Technology, 2003, 22(12): 9-11.

[16]GAN Wei-bing, WANG Yue-ming. Application of the distributed optical fiber bragg grating temperature sensing technology in high-voltage cable[C]//2011 International Conference on Electronic and Mechanical Engineering and Information Technology. Harbin, China, 2011: 4538-4541.

[17]李川, 韓雪飛, 張以謨, 等. 采用WDM技術的光纖Bragg光柵傳感網絡[J]. 光子學報, 2003, 32(5): 542-545.LI Chuan, HAN Xue-fei, ZHANG Yi-mo, et al. Sensing nets of fiber bragg grating via WDM technology[J]. Acta Photonica Sinica, 2003, 32(5): 542-545.

[18]LI Xiong-rong, YANG Zhi, LI Yong-qian, et al. Wavelength division multiplex optic fiber bragg grating temperature array for ocean detection[C]//Photonics And Optoelectronics Meetings.Wuhan, China, 2009: 7514-7521.

[19]Arkwright J W, Doe S N, Blenman N G, et al. The use of wavelength division multiplexed fiber bragg grating sensors for distributed sensing of pressure in the gastrointestinal tract[C]//2008 IEEE Photonics Global at Singapore. Singapore,2008: 1-4.

[20]Weis R S, Kersey D A, Berkoff T A. A four-element fiber grating sensor array with phase-sensitive detection[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 1994, 6(12): 1469-1472.

[21]Chan C C, Jin W, Demokan M S. Experimental investigation of a 4-FBG TDM sensor array with a tunable laser source[J].Microwave And Optical Technology Letters, 2002, 33(6):435-437.

[22]WANG Yun-miao, GONG Jian-min, WANG An-bo, et al. A quasi-distributed sensing network with time-divisionmultiplexed fiber bragg gratings[J]. IEEE Photonic Technology Letters, 2011, 23(2): 70-72.

[23]Glynn L, Lorna E, Kate S, et al. A high-performance miniaturized time division multiplexed sensor system for structural health monitoring[C]//2005 Conference on Lasers and Electro-Optics. Baltimore, MD, United States, 2005: 755-757.

[24]Yao Y J, Kalli K, Brady G, et al. Spatially-multiplexed fiber-optic bragg grating strain and temperature sensor system based on interferometric wavelegth-shift detection[J]. Sensors and Actuator(A: Physical), 1995, 31(12): 1009-1010.

[25]王立新, 柏俊杰. 用 F-P濾波器實現多通道分布式光纖光柵傳感系統并行解調[J]. 光通信技術, 2005, 29(12): 28-29.WANG Li-xin, BAI Jun-jie. Parallel demodulation of multi-channel distributed fiber bragg grating sensor system with F-P filter[J]. Optica Communication Technology, 2005, 29(12):28-29.

[26]GAO Hong-wei, LI Hong-min, LIU Bo, et al. A novel fiber bragg grating sensors multiplexing technique[J]. Optics Communications, 2005, 251(4/5/6): 361-366.

[27]王玉寶, 蘭海軍. 基于光纖布拉格光柵波/時分復用傳感網絡研究[J]. 光學學報, 2010, 30(8): 2196-2201.WANG Yu-bao, LAN Hai-jun. Study of fiber bragg grating sensor system based on wavelength-division multiplexing/time-division multiplexing[J]. Acta Optica Sinica,2010, 30(8): 2196-2201.

[28]王燕飛, 簡水生, 任文華, 等. 基于 WDM 和 TDM 的串聯FBG 高速列車定位系統[J]. 光電子·激光, 2008, 19 (8):1084-1087.WANG Yan-fei, JIAN Shui-sheng, REN Wen-hua, et al. A train locating system based on WDM and TDM FBG series[J].Journal of Optoelectronics·Laser, 2008, 19 (8): 1084-1087.

[29]Ribeiro A B L, Yao Y J, Zhang L, et al.Time-and-spatial-multiplexing tree topology for fiber-optic bragg-grating sensors with interferometric wavelength-shift detection[J]. Applied Optics, 1996, 35(13): 2267-2273.

[30]Yao Y J, Ribeiro A B L, Jackson D A, et al. Simultaneous spatial,time and wavelength division multiplexed in-fiber grating sensing network[J]. Optics Communications, 1995, 125(1/3):53-58.

[31]姜德生, 梅家純, 高雪清, 等. 編碼式光纖光柵傳感監測裝置:中國, 200320116240[P]. 2003-12-08.JIANG De-sheng, MEI Jia-chun, GAO Xue-qing, et al. Encoding FBG sensor monitoring device: China, 200320116240[P].2003-12-08.

[32]梅加純. 編碼式光纖光柵的制作與應用研究[D]. 武漢: 武漢理工大學光纖傳感技術國家工程實驗室, 2004: 40-61.MEI Jia-chun. The production and application research on encoding fiber bragg grating[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology. National Engineering Laboratory for Fiber Optic Sensing Technology, 2004: 40-61.

[33]Choi K S, Son J Y, Kim G J, et al. enhancement of FBG multiplexing capability using a spectral tag method[J]. 2008,20(23): 2013-2015.

[34]Choi K S, Youn J, You E, et al. Improved spectral tag method for FBG sensor multiplexing with equally spaced spectral codes and simulated annealing algorithm[C]//IEEE Sensors 2009 Conference-Sensors 2009. Christchurch, New Zealand, 2009:1256-1259.

[35]DAI Yong-bo, LIU Yan-ju, LENG Jin-song, et al. A novel time-division multiplexing fiber bragg grating sensor interrogator for structural health monitoring[J]. Optics And Lasers in Engineering, 2009, 47(10): 1028-1033.

[36]Chan C C, Jin W, Wang D N. Performance of a time-division-multiplexed fiber bragg grating sensor array with a tunable laser source[C]//2nd International Conference on Experimental Mechanics. Singapore, 2001: 591-596.

[37]吳薇, 劉辛, 陳婷. 新型大容量光纖光柵傳感解調系統研究[J]. 半導體光電, 2011, 32(1): 143-145.WU Wei, LIU Xin, CHEN Ting. Research on Large capacity fiber grating sensor demodulation system[J]. Semiconductor Optoelectronics, 2011, 32(1): 143-145.

[38]Koo K P, Tveten A B, Vohra S T. Dense wavelength division multiplexing of fiber bragg grating sensor using CDMA[J].Electronics Letters, 1999, 35(2): 165-167.

[39]Peter K C C, WEI Jin. FMCW multiplexing of fiber bragg grating sensors[J]. IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, 2000, 6(5): 756-763.

[40]Breglio G, Cusano A, Irace A, et al. Fiber optic sensor arrays: A new method to improve multiplexing capability with a low complexity approach[J]. Sensors and Actuators(B: Chemical),2004, 100(1/2): 147-150.

[41]Shi C Z, Chan C C, Jin W, et al. Improving the performance of a fbg sensors network using a genetic algorithm[J]. Sensors and Actuator(A), 2003, 107(1): 57-61.

[42]Shi C Z, Zeng N, Chan C C, et al. Improving the performance FBG sensors in a WDM network using a simulated annealing technique[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2004, 16(1):227-229.