光纤布拉格光栅传感复用模式发展方向

祁耀斌¹，吴敢锋¹，王汉熙²

(1. 武汉理工大学 光纤传感技术国家工程实验室，湖北 武汉，430070；

2. 武汉理工大学 数字制造湖北省重点实验室，湖北 武汉，430070)

摘要：系统分析讨论光纤布拉格光栅传感复用模式，通过研究波分复用、时分复用及空分复用模式的发展历史和现状，抽象出典型结构，建立数学模型，并总结出工程应用概况；通过分析波分复用、时分复用及空分复用模式的技术瓶颈，找出复用模式的改进方式，即3种经典复用模式的联合复用和复用结构系统的改进。最后，通过总结光纤光栅传感复用模式的发展，构建复用设计的体系结构。提出基于光纤布拉格光栅传感器实时数据提取的数字设计工程将是数字制造的一个重大科学前沿，提出光纤光栅传感复用模式的发展方向，即实现分布式传感系统、构建大规模传感网络和建立统一机理模型。

关键词：光纤布拉格光栅；传感网络；复用模式；波分复用；时分复用；空分复用；组合复用

中图分类号：TP227          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)08-3058-15

Development of fiber bragg grating sensing multiplexing mode

QI Yao-bin¹, WU Gan-feng¹, WANG Han-xi²

(1. National Engineering Laboratory for Fiber Optic Sensing Technology,

Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China;

2. Digital Manufacture Key Laboratory of Hubei Province, Wuhan University of Technology,Wuhan 430070, China)

Abstract: Fiber bragg grating sensing multiplexing mode was systematically discussed. Through investigating the development history and the research situation of wavelength division multiplex, time division multiplex and spatial division multiplex, the typical structure was abstracted, the mathematical model was built and the engineering applications were summarized. Through analyzing the bottleneck of wavelength division multiplex, time division multiplex and space division multiplex, the improvements of multiplexing mode were found, which were the combinations between classic multiplexing mode and improvements of multiplexing structure system. Finally, through summarizing the development of fiber bragg grating sensing multiplexing mode, systematic structure was constructed. The idea that real-time data extracted process of digital design based on fiber bragg gratting sensor would be a significant scientific frontier was proposed, and the development trend of fiber bragg grating sensing multiplexing mode was also proposed, which was achieving distributed sensing system, building large-scale sensor networks and establishing a unified mechanism model.

Key words: fiber bragg grating; sensing network; multiplexing mode; wavelength division multiplex; time division multiplex; space division multiplex; combined multiplexing

光纤布拉格光栅传感器(Fiber Bragg grating sensor，FBGS)以其灵敏度高和易复用组网等优点，在状态监测领域得到广泛的应用。基于FBGS的传感检测系统早已实际用于工程领域，如桥梁、隧道、石油、化工、电力和安全防护等^[1-4]。但是对于大型复杂结构和分布式结构，光纤布拉格光栅传感器网络(Fiber Bragg grating sensor network，FBGSN)的应用尚不多见。同时，FBGSN的探测灵敏度、采样频率和网络容量，尚无法满足实用要求。

为了挖掘光纤巨大带宽潜力，提高光纤通信容量，光复用技术应运而生。光复用(Optical multiplexing，OM)是指利用光波自身特性(波长、时间、副载波、编码等)和光纤传输特点(低损耗、高速率等)，在一根或多根光纤中同时互不干扰地传播多路光信号，根据光波的波长属性、时间属性、编码属性、副载波属性及空间通道属性，OM的主要实现方式见表1^[5-7]。

表1  光复用形式

Table 1  Optical Multiplexing Form

光纤布拉格光栅复用(Fiber Bragg grating multiplexing，FBGM)是在光复用(OM)的基础上发展起来的，其工作机理是在单根光纤上通过光物理参量的选用与匹配，形成多类光复合组合形式，建构多个或多类传感器，实现多点准分布式监测。基于反射波自身特性和光纤传输特点，在共用一套光源和信号处理系统的基础上，FBGM包括如下主要形式：

(1) 根据反射波的波长属性——各个不同布拉格波长的传感信号拥有不同的反射波长——实现波分复用(Wavelength division multiplexing，WDM)；

(2) 根据反射波在光纤中传输的时间属性——不同传感信号到达信号处理器的时间差异——实现时分复用(Time division multiplexing，TDM)；

(3) 根据光纤多路复用技术——各并行传感信号分配到不同支路——实现空分复用(Spatial division multiplexing，SDM)。

作为光纤光栅复用(FBGM)的3大经典复用形式，WDM，TDM和SDM在最近20年得到了广泛研    究^[8-10]。但是，WDM受到光源带宽和布拉格波长变化范围限制，TDM受到光源功率、布拉格光栅反射功率和FBGS之间的串扰(Crosstalk)的限制，SDM受到光源带宽利用率和功率利用率低的限制，这些问题构成了经典FBGM的技术瓶颈，极大限制了FBGSN的工程应用。

许多学者试图通过改进布拉格光栅、光源系统和信号检测系统，以提高传感网络的复用容量和采样速率，以构建高速率和大容量的FBGSN。

本研究旨在探讨WDM，TDM和SDM等经典FBGM的发展历程和典型结构，通过复用容量、理论模型和工程应用等3方面分析和比较，讨论光纤布拉格光栅传感复用模式的发展方向。

1  光纤光栅传感经典复用形式

1.1  波分复用(WDM)

光纤光栅的传感机理是通过测量布拉格反射波长来感知外界物理量，于是基于不同波长范围寻址的WDM直接应用于FBGSN。宽带光源入射到一根光纤中具有不同布拉格波长的多个光栅传感器，各传感光栅反射回不同波长的光波，通过FBGS占据的波长范围来判断传感器的地址，实现WDM方案(见图1)。

图1  波分复用机理

Fig.1  Mechanism of WDM

1.1.1  WDM的发展历史

早在1970年，光波分复用(OWDM)的概念就被提出，并应用于光纤通信^[11]。随着OWDM在光纤通信领域逐渐成熟，人们开始将WDM应用于光纤光栅传感领域。

早期的WDM方案受到FBG解调技术的限制，整个WDM复用系统比较复杂，复用容量和采样速率等参数都难以满足工程实用要求。

Blair和Cassidy^[12]提出一种基于WDM的光纤光栅传感网络(见图2)，其核心思想是通过对传感器反射波强度的调制解调实现温度传感，通过观测反射波长范围实现感知位置寻址。

这一方案的问题在于，对于反射波强度的调制解调增加了系统的复杂性，精度也不高，并且基于光谱仪的解调方法也不适合工程应用，从而限制了FBG复用系统应用和发展。

针对反射波强度调制解调带来的FBG传感缺陷，学者们进行检测反射波长实现FBG传感的研究。Jackson等^[13]提出了一种WDM并行接收技术结构(见图3)，每一个传感FBG匹配一个接收FBG，以实现多点同时测量。但这种并行接收方案增加了系统硬件结构的复杂性，而且伴随复用传感器数量的增多，系统的复杂度不断增加。

基于不同波长范围寻址的WDM，系统结构复杂，没有充分利用复用技术共用同一套解调系统的优点，Brady等^[13]提出了一种波分复用串行接收方案(见图4)，该方案系统结构较为简单，共用解调系统，在提高效率的同时，也降低了系统成本。但此方案的问题在于，波长检测系统分辨率不高，复用容量也受到较大影响。

1.1.2  WDM的典型结构

随着光纤光栅波分复用技术的逐渐成熟，形成了一种普遍认可的典型物理结构(见图5)。

宽带光源照射进光纤光栅传感器序列，在宽带光源波长范围λH内，每一个布拉格波长由对应波长的FBGS反射回来；当外界环境导致温度或应变变化时，各反射波在各自波长范围内变化(见图6)；通过解调系统检测波长变化值可以实现温度或应变等物理参数的感知；同时，可们根据FBG的波长范围寻址对应的FBGS位置。

图2  强度调制波分复用传感网络

Fig.2  Intensity modulation WDM sensing network

图3  基于并行接收方案的FBG波分复用网络

Fig.3  FBG wavelength division multiplexing network based on parallel receiving scheme

图4  基于串行接收方案的FBG波分复用网络

Fig.4  FBG wavelength division multiplexing network ased on serial receiving scheme

图5  典型波分复用传感系统结构

Fig.5  Typical WDM sensing system architecture

图6  光源入射光谱与FBG反射光谱对照

Fig.6  Comparison of light source incoming spectrum and reflective spectrum

本方案中，FBGSN的采样速率不受传感器复用规模的影响，但传感器复用容量受光源带宽和和FBG对应波长幅宽的限制，难以应用于准分布式检测。

1.1.3  WDM的性能与讨论

(1) 理论模型。若宽带光源带宽为B，功率为P，FBG₁，FBG₂，…，FBG_N的布拉格波长分别为λ_B1，λ_B2，…，λ_Bn，在感知温度、应变和压力等参数变化的情况下，各传感器的波长变化量分别为Δλ₁，Δλ₂，…，Δλ_n。令第i个传感器FBG_i的波长变化范围为Range[FBG_i]，则

Range[FBG_i]=λ_Bi±Δλ_i/2           (1)

若λ_B1＜λ_B2＜…＜λ_Bn，选择合适的布拉格波长λ_B1，λ_B2，…，λ_Bn，当

 (2)

和

    (3)

同时成立，则Range[FBG_i]是唯一的。

因此，WDM只需选择合适的布拉格波长，使式(2)和式(3)同时满足，通过Range[FBG_i]就可实现任一传感器FBG_i的位置寻址。

若

            (4)

成立，则

              (5)

式中：η_B为光源带宽利用率。

实际上，η_B不可能达到100%，式(4)当然也不可能成立，但为了充分利用光源带宽和尽量多地复用FBGS，工程实践中将尽可能地降低传感器带宽间隔，使η_B尽可能地接近于100%。因此，WDM的光源带宽利用率要求尽可能地趋高。

令光源功率利用率为η_p，FBG_i的反射功率为P_fi，则

              (6)

由式(6)可知：η_p与FBG_i的反射功率P_fi和FBG_i数量规模N有关，当P_fi一定时，η_p会随着FBG数量规模N的增加而变大。

(2) 复用容量。WDM采用波长范围寻址，检波算法采用峰值检测法(Conventional peak detection，CPD)^[14]。CPD要求Range[FBG_i]之间互不重叠。若传感网络复用容量为C，FBG的平均变化范围为Δλ，当Range[FBG_i]恰好互不重叠，即η_B=100%，则有

C=B/Δλ                  (7)

由式(7)可知：对于40~50 nm的光源带宽，当有±2 nm的波长变化范围时，FBGS的数量规模一般不会超过30个点。

(3) 工程应用。FBG传感系统是以布拉格反射波长为调制信号，通过解调得到布拉格反射波长信号实现物理参数的传感。因此，WDM是最直接和最实用的复用技术。FBG解调系统由干涉仪或者滤波器等波长选择器件、硬件系统和软件系统等组成(见图7)。

图7  解调系统组成

Fig.7  Composition of demodulation system

由图7可知：波长选择器件影响着反射波长解调精度，硬件系统影响着FBG系统成本和解调精度，软件系统影响着FBG系统的解调精度和复用容量。

由于WDM共享传感解调的硬件系统，只需在软件系统中增加波长范围选择算法即可实现WDM方案，这使得传感系统制造成本大为降低，易于实现工程实用。

基于WDM的FBG传感系统已广泛应用于桥梁、隧道、电力和石化海洋等领域^[15-19]。例如，黄俊斌    等^[15]提出的基于F-P滤波器解调的WDM系统(见图8)，其宽带光源入射进FBGS阵列，反射信号经耦合器进入可调谐F-P滤波器，由压电陶瓷驱动F-P滤波器的输出波长线性变化。在控制系统的作用下，F-P滤波器扫描整个光栅反射信号，当F-P滤波器的透射光和FBGS的反射光重合时，探测器获得最大光强，对应的驱动电压就对应着FBG反射波长，从而实现波长解调，其最高扫描频率达200 Hz，分辨力达5 Pm，是一种满足工程实用的波分复用FBG解调方案。

图8  基于F-P滤波器解调WDM系统

Fig.8  WDM system of demodulation based on F-P filter

1.2  时分复用(TDM)

光纤光栅时分复用可以突破光纤光栅波分复用所受到的光源带宽和光栅波长变化范围的限制，从而大大增加传感器的复用个数。

光时分复用(OTDM)机理是从提高每个波道所能携带的信息量入手来增加传输容量，其工作原理是让各路信号在信道上占用不同的时间间隔，也就是把时间分成均匀的间隔，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隔内进行传输，从而达到互相分开、互不干扰的目的。光纤光栅时分复用是在OTDM基础上发展起来，通过FBGS反射波信号到达解调系统的时间间隔不同分离出FBGS。光源系统产生调制型脉冲光信号，各个FBGS反射回特定波长的脉冲信号，解调系统接受到反射信号的时间是不同的，通过不同的返回时间寻址各FBGS，实现时分复用(见图9)。

1.2.1  TDM的发展历史

早期的TDM方案受解调技术的制约，整个传感系统的波长分辨率不高，光栅的高反射率也使得复用容量非常有限，这导致光纤光栅TDM系统一直停留在理论研究阶段。Weis等^[20]通过传统时分复用完成了对4个光纤光栅传感器的寻址(见图10)。

图9  时分复用机理

Fig.9  Mechanism of TDM

图10  早期的光纤光栅时分复用传感系统

Fig.10  Previous FBG time division multiplexing sensing system

宽带光源经脉冲调制器调制为脉冲光源，FBG反射脉冲分时到达MZ干涉仪解调系统，实现FBG传感与寻址。但图10所示系统的低功率宽带光源和宽带宽等限制了FBG的分辨率和复用容量。

针对TDM系统对于高功率光源的要求，Chan  等^[21]提出了一种基于可调激光源的光纤光栅TDM系统(见图11)。

图11所示方案实现了4个FBG压力传感器的传感和寻址，可达到较高的压力分辨率，但这个方案的波长分辨率受到多通道间信号波的相互干扰，并且由于结构复杂和光功率损耗较大，限制了TDM复用   容量。

图11  FBG传感阵列时分复用系统

Fig.11  Time division multiplexing sensing system of FBG sensor array

1.2.2  TDM的典型结构

经过多年的发展，已经开发出由脉冲光源、延时光纤和解调系统等组成的TDM工程结构(见图12)。

图12  典型时分复用传感系统结构

Fig.12  Typical TDM sensing system architecture

在图12所示的结构中，脉冲光源由解调系统控制，产生周期性的脉冲光信号，在一个周期内，传感器FBG₁，FBG₂，…，FBG_n分别反射回一个脉冲光信号。延时光纤实现各反射脉冲信号的时间分离，各FBGS到达解调系统的时间分别为τ，2τ，…，nτ。解调系统将不同的时间间隔与各FBGS对应起来，从而实现时分复用。图13显示了一个周期内光源和FBG传感器的脉冲信号。

图13  TDM系统脉冲信号

Fig.13  Pulse signal of TDM system

1.2.3  TDM的性能与讨论

(1) 理论模型。脉冲光源发出带宽为B、功率为P的脉冲波；在TDM方案中，各传感器采用相同布拉格波长λ_B的FBG，波长变化量为Δλ；传感器FBG₁，FBG₂，…，FBG_n通过延时光纤分别延时τ，2τ，…，(n-1)τ，从而在不同时刻内反射回脉冲波。

从FBG₁反射脉冲波到达波长检测系统开始记时，设第i个传感器FBG_i到达解调系统的时间为，则

           (8)

由式(8)可知：T_FBGi是唯一的，每个FBG_i对应一个唯一的T_FBGi；因此，通过T_FBGi可以实现TDM。

η_B=Δλ/B                  (9)

式中：η_B为光源带宽利用率；Δλ为波长变化量；B为脉冲光源发出带宽。

从式(9)可知：η_B与布拉格波长变化范围和带宽有关，在波长变化范围一定的条件下，光源带宽越窄，光源带宽利用率越高。

             (10)

式中：η_p为功率利用率；P_fi为FBG_i的反射波功率；P为脉冲波的功率。

从式(10)可知：η_p与FBG反射波功率、光源功率和FBG的数量规模有关，在光源功率和FBG反射波功率一定的条件下，光源功率利用率随着FBG数目N的增加而提高。

(2) 复用容量。由式(8)~(10)可知：TDM既有的时域编码特性不受光源带宽B限制，仅受光源功率P和FBG_i反射功率P_fi的影响，令复用容量为C，FBG_i平均反射功率为ΔP_fi，则

              (11)

由式(11)可知：若采用高功率光源和低反射率FBG，复用的传感器数目将非常可观。

在实际应用中，FBG的反射率一般大于-20 dB，它们之间存在着较大的串扰^[22]，影响了传感器复用数目；伴随着FBG数量规模的增加，最后一个FBG_n反射回信息的时间(n-1)τ也会增加，系统的实时性将伴随复用规模的扩大而逐步变差。

(3) 工程应用。TDM复用布拉格波长相同的FBG传感器，简化了FBG传感器的制作工艺，降低了制造成本。但TDM所特有的串扰极大地影响了复用容量，系统性噪比将随着传感器数量规模增加而降低，导致TDM方案的工程实用较少^[23]。

1.3  空分复用(SDM)

WDM和TDM方案采用串联拓扑结构，无法满足大规模复杂结构监控系统对于FBGS相互独立和可交替性工作的要求。基于光空分复用(OSDM)，光纤光栅传感空分复用(SDM)逐步发展起来，将FBGS的反射波分解到不同通道，在空间通道结构上实现复用。光源信号入射进FBGS，各反射信号分别通过各自的光通道到达解调系统，实现空分复用(见图14)。

图14  空分复用机理

Fig.14  Mechanism of SDM

1.3.1  SDM历史研究

Yao等^[24]提出了空分复用温度压力传感系统，能够实现对32个相同布拉格波长传感器的解调(见图15)。

图15方案采用分光器和光开关将多个并行传感器分配到不同通道，再通过迈克尔逊干涉仪进行波长解调，并对4通道传感器进行实验研究，温度和压力分辨率分别为175:1和400:1。这一方案成为SDM方案的原型结构，它拥有SDM方案并联拓扑结构的优点，也存在SDM方案普遍的缺点(例如，光源功率和带宽利用率不高，实时性较差，等等)。

1.3.2  SDM典型结构

光纤光栅结构较为统一，一般由宽带光源、解调系统、光开关和并联FBG阵列组成，典型结构见图16。

宽带光源进入并行FBG阵列，各布拉格波长相同或不同的FBG₁，FBG₂，…，FBG_N的反射波通过高速切换光开关依次选通，分别占据一个光通道，再通过解调系统依次检测相应变化波长，实现FBG传感与复用。

1.3.3  SDM性能分析

(1) 理论模型。宽带光源发出带宽为B，功率为P的光波，在1×N光开关的扫描周期内，产生了N个光通道，分别为C₁，C₂，C₃，…，C_N。令第i个FBG所占据的通道为C_FBGi，在光开关的作用下，有

       (12)

由式(12)可知：FBG的C_FBGi是唯一的，每个FBG对应一个C_FBGi，因此，通过C_FBGi可实现SDM方案。

              (13)

式中：η_B为光源带宽利用率；B为宽带光源发出带宽；Δλ为波长变化量。

图15  早期的光纤光栅空分复用传感系统

Fig.15  Previous FBG spatial division multiplexing sensing system

图16  典型空分复用传感系统结构

Fig.16  Typical SDM sensing system architecture

由式(13)可知：光源带宽利用率η_B仅与FBG反射波长变化范围和光源带宽有关。一般地，反射波长变化范围为1 nm，宽带光源带宽为40 nm，光源宽带利用率只有1/40左右，因此，SDM的光源带宽利用率较低。

          (14)

式中：η_p为功率利用率；P_fi为FBG_i的反射波功率。

由式(14)可知：光源功率利用率η_p仅与光源功率和FBG最大反射功率有关，光源功率一般远远大于FBG反射功率，因此，SDM方案的光源功率利用率也很低。

(2) 复用容量。由式(12)~式(14)可知：SDM的复用容量不受光源带宽B和光源功率P的限制。在不考虑系统实时性的前提下，可以复用的传感器非常可观。但是随着通道数N值的增大，光开关扫描周期会变长，整个系统的采样速率也随着下降。因此，在保持传感监测实时性(保持一定采样速率)的前提下，SDM可复用的传感器数目非常有限，一般不超过32个。

(3) 工程应用。由式(12)~式(14)可知：单独使用SDM时，光源功率和频带利用率都非常低，极大地浪费了频带和功率资源，并且SDM方案的复用容量和采样速率是相互矛盾的，因此，单独的SDM方案的工程实践很少，一般是与WDM方案或TDM方案联合复用，这既能在很大程度上利用光源功率和带宽，还能在保持一定采样速率的前提下提高复用容量。SDM和WDM联合复用网络已大量工程应用，比较典型的SDM和WDM联合复用解调方案见   图17^[25]。

图17中，SLED宽带光源经过F-P滤波器形成随时间周期变化的扫描光信号，当F-P滤波器投射波与传感光栅反射波重合时，各PIN的电压最大，此时的扫描电压对应于FBG反射波长，每通道通过WDM寻址，不同通道构成SDM。此解调系统测量准确度可达几个微应变级，可靠性良好，可同时检测上百个物理量，已广泛应用于能源、桥梁、航空和航天等领域。

图17  波-空分复用解调系统

Fig.17  Wavelength-spatial mulplexing demodulation system

2  复用改进

光纤光栅传感复用系统主要光源系统、FBGS系统和解调系统组成(见图18)。

图18  FBG传感复用系统

Fig.18  FBG sense mulplexing system

然而3大复用技术都有着各自的限制，无法满足现代大规模和准分布式传感网络的要求，见表2。

为了突破WDM，TDM和SDM的固有限制，研究者通常采用2种方法改进光纤布拉格光栅传感系统，一是通过组合复用，将WDM，TDM和SDM集成使用；二是通过改进复用系统结构，即改进光源系统、FBGS系统和解调系统。

2.1  组合复用

以组合方式为划分规则，成大致可分为波分-空分组合复用，波分-时分组合复用，空分-时分组合复用和波分-时分-空分组合复用。这些组合复用方式在一定程度上吸取了各种基本复用的优势，也在一定程度上克服了各种基本复用的缺陷，但由于复用结构和检波系统的差异，效果不尽相同。国内外有关光纤布拉格光栅组合复用的研究概况见表3。

2.2  改进FBGS系统

FBGS系统的布拉格光栅选择性反射特定波长光信号，如果修改布拉格光栅参量，将可改变光信号的反射波波长λ_B和反射波功率P_fi。目前已有通过改进FBGS系统的布拉格光栅提高复用性能的报道，其主导思想是多光栅编码复用(Multi-Grating coding multiplex，MGCM)和弱光栅复用(Weak grating multiplex，WGM)。

2.2.1  多光栅编码复用

MGCM是用多个光栅来表示一个传感器，多个Range[FBG_i]共同决定一个光栅传感器，可有效提高复用容量^[31-34]。

姜德生等^[31-32]提出了一种大容量编码光栅复用技术(见图19)，可大大提高复用容量。

图19中，在每个传感器位置刻入2个特定布拉格波长的光栅(一般的，光栅的中心波长在1 300 nm和   1 550 nm窗口范围内)，假定这2个光源的带宽为30 nm，每个布拉格光栅传感器探头的波长漂移范围为2 nm，如果采用一维编码技术，可复用的传感器点数为15+15(见式(7))，但是如果使用二维编码技术，则可复用的传感器数目为15×15，因此，复用容量就提高到225。文献检索表明，暂没发现此技术的工程应用。

Choi等^[33]提出了光谱标记法(Spectual tag multiplexing)来提高复用系统容量(见图20)。

图20中，在光纤预定的传感器同一位置写入2个不同的布拉格波长光栅，由于各个相邻光栅谱间距各不相同，使每个传感器的2个光栅间的波长间距互不相同，使得通过不同波长间距编码实现传感器的寻址。这种编码方式简单、成本低，但随着复用传感器的增加，所需谱宽也要进一步增加。随后，Choi等^[34]对上述进行了改进(见图21)，使用相同波长间距的光栅，进一步扩大了复用容量。

表2  复用技术的限制

Table 2  Restraint of multiplexing technology

表3  组合复用研究情况

Table 3  Combined multiplexing status

图19  编码光栅传感系统

Fig.19  Encoding bragg grating sensing system

图20  基于不等谱编码间距的光谱标记复用系统

Fig.20  Spectral tag multiplexing sensing system with unequally spaced spectral codes

图21  基于相等谱编码间距的光谱标记复用系统

Fig.21  Spectral tag multiplexing sensing system with equally spaced spectral codes

2.2.2  弱光栅复用

WGM是指降低光栅反射波功率P_fi，由式(11)可知：降低P_fi，可以有效提高TDM的复用容量，而且低反射率光栅在很大程度上降低了各光栅传感器之间的串扰，从而提高复用性能^[20,35]。

目前，光纤光栅传感系统一般采用高反射率(反射率≥-20 dB)光栅传感器，较大的P_fi限制了复用容量C，并且高反射率会导致光栅传感器之间出现严重的串扰现象。因此，弱光栅复用成为发展方向。

Dai等^[35]提出了一种新型TDM结构健康监控系统，通过使用SOA光源和环形腔放大低反射率光栅传感器信号，可复用100个以上的传感器(见图22)。

图22  弱光栅时分复用传感系统

Fig.22  Weak FBG time division multiplexing sensing system

图22中，SOA在传感网络中作为放大器，由脉冲发生器驱动产生一个短脉冲信号，各弱光栅传感器反射回小部分信号，通过延时光纤L实现延时，从而实现大容量TDM传感系统。

Wang等^[22]报道了一种基于超低反射率光栅(反射率＜-30 dB)的时分复用结构(见图23)，弱光栅间极小的串扰可使复用点数提高到1 000个以上，通过时分复用结构，能同时测量串联链路上的全部传感器。

在图23所示的复用系统中，可调激光器经过光电调制器发出短脉冲光信号，射入弱光栅序列，反射回

不同时间间隔的短脉冲，通过光电二极管转换为电信号，2个EDFA(掺饵光纤放大器)用来放大光信号功率，通过不同的时间间隔实现各FBGS的分离。

2.3  改进光源系统

光源系统为光纤传感光栅提供一定功率P和带宽B的光波。改进光源系统，可导致光源带宽、功率以及光波形式的改进。

目前，已有通过功率增强型光源(Power enhanced light source，PELS)和调制型光源(Modulated light source，MLS)而改进复用方案的报道。

图23  弱光栅时分复用传感系统

Fig.23  Weak FBG time division multiplexing sensing system

2.3.1  功率增强型光源

PELS主要用于提高TDM系统复用容量或提高SDM 复用通道数，见图24。对于TDM系统，由式(11)可知：光源功率P变大可提高TDM的复用容量C；对于SDM系统，典型的SDM系统是使用光开关分别选通不同光路，对光源功率要求不高。但对于改进的SDM系统^[25]，光源同时入射到所有光通道，增强光源功率时，可有效提高SDM通道数。

图24  PELS改进复用系统

Fig.24  PELS enhanced multiplexing system

Chan等^[21,36]提出将可调激光器光源用于TDM传感系统(见图25)，来提高TDM传感系统的实用性。

图25  可调激光器时分复用系统

Fig.25  TDM system based on tunable laser

在图25所示系统中，可调激光器发出高功率窄带光源，由光脉冲调制器和脉冲发生器调制成短脉冲信号，入射进树状拓扑结构的FBGS，反射脉冲信号通过光电探测器转换成电信号供探测系统处理，通过不同时延的延时光纤实现不同的时间间隔寻址。可调激光器在一定程度上增强了TDM系统的光源功率，有效提高了复用容量。

吴薇等^[37]提出自主研发的可调谐窄带光源用于波-空分复用系统(见图26)，可将传感通道数增加到32，大大提高复用容量。

图26中，可调谐窄带光源主要由半导体光放大器(Semiconductor optical amplifier，SOA)和F-P滤波器组成，SOA输出光功率相比于传统宽带光源显著提高，可调谐窄带光源输出光谱周期性变化的高功率光信号，周期性扫描各通道FBGS，每通道内FBGS通过WDM实现寻址，各通道通过SDM完成寻址。基于SOA的可调谐窄带光源有效地提高了光功率，增加了复用通道数目。

图26  基于可调谐窄带光源波-空分复用系统

Fig.26  Wavelength-spatial division multiplexing system based on tunable narrow source

2.3.2  调制型光源

MLS是指对光源光信号参数(光强、频率等)进行调制，经各FBGS反射后，解调出调制信号，实现各传感器的寻址(见图27)。

图27  调制型光源复用系统

Fig.27  Multiplexing system based on MLS

Koo等^[38]报道了一种基于码分多址(Code division multiple access，CDMA)的密集WDM复用系统(见图28)。即使在各个传感器布拉格波长重叠的情况下，这种光源调制型复用方案依然可以从复用信号中分离出传感信号，突破了布拉格光栅动态变化范围的限制，增大了复用容量。

图28中，通过伪随机序列(PRBS)调制可调激光器，输出一组脉宽不等的脉冲光源，入射进FBGS，反射布拉格信号通过光电探测器转换为电信号，解调系统再通过自相关算法分离出各个传感器信号。对2个布拉格波长相隔0.3 nm的FBGS进行实验，成功分离出2个FBGS，并通过理论可实现单根光纤上超过100个FBGS的寻址。

图28  CDMA复用系统

Fig.28  CDMA multiplexing system

Chan等^[39]提出了连续波频率调制(FMCW)技术，FMCW技术是指对宽带光源的光强度进行调制，使各个传感器信号在频域内分离并使用可调光滤波器解调出传感信号，从而实现复用(见图29)。

图29  FMCW复用系统

Fig.29  FMCW multiplexing system

图29中，宽带光源由压控振荡器和信号发生器调制成锯齿波或三角波信号，入射到FBGS序列，反射信号经过可调光滤波器和光电二极管后与压控振荡器的参考信号混合，输出信号通过解调系统分离出各FBGS。通过对6个压力传感系统进行实验，串扰限制在-30 dB，并获得了2 με的分辨率和较高的信噪比，将FMCW技术用于FBG传感系统，结合WDM技术，可实现超过100个传感器的寻址。

Breglio等^[40]提出了一种啁啾脉冲频率调制(C-PFM)技术，通过对激光脉冲光强进行调制，在不增加系统结构复杂性的前提下，提高了传感复用容量(见图30)。

图30中，SLED光源经过强度调制后输出激光脉冲束，入射到FBGS序列，反射信号通过线性滤波器到达信号采集系统，通过自适应滤波分离各FBGS。通过实验验证了寻址FBGS的理论，理论上可实现单根光纤上超过50个FBGS的寻址。

图30  C-PFM复用系统

Fig.30  C-PFM multiplexing system

2.4  改进解调系统

对于光纤光栅复用系统，解调系统不仅直接影响整个系统的检测精度、分辨率和成本等问题，而且还会影响到复用网络的容量和性能。常用的FBG解调方法主要有匹配光栅滤波法、非平衡M-Z干涉解调法和F-P滤波解调法等。目前应用最为广泛的是F-P滤波解调法，稳定性高，实用性好，已有大量工程应用。但F-P滤波器解调系统一般采用峰值检波法(CPD)，当反射信号较弱或者反射信号波长变化范围重叠时，系统的解调精度则会大大降低。因此，CPD检波法要求布拉格光栅反射波长变化范围Range[FBG_i]不能重叠，使各FBG反射波长平均变化范围Δλ较大，由式(7)可知：Δλ较大时，复用容量C受到较大限制。因此，CPD检波法大大限制了复用容量。

改进解调系统主要是指发展先进的检波算法，来达到提高复用系统性能的目的。大量学者开始提出先进的检波算法，试图在光栅反射波长范围重叠时仍能准确的分离出波长值，大大缩短了波长范围值Range[FBG_i]。由式(7)可知：Range[FBG_i]变小时，Δλ变小，复用容量C变大。因此，先进的检波算法可大大提高传感系统的复用性能。

Chan等^[41-42]提出了通过遗传算法(GA)和模拟退火技术(SA)检波来波分复用网络的复用容量。当各传感光栅的频谱部分重叠甚至完全重叠时，即各Range[FBG_i]部分重叠或完全相同，通过GA和SA依然能够精确、快速分离出波长漂移值。GA主要通过选择、翻转和突变3个过程来实现FBGS的谱分离；SA是一个自由导数优化方法，像固体退火一样解决一些组合优化问题，相比与GA，SA的运行速度更快。按照图31建立了实验平台，分别进行了实验。

对2个布拉格波长近似相同的并行光栅传感器进行了实验，成功的检测并分离出了传感信号。

图31  GA和SA检波法实验系统

Fig.31  Experimental system of GA and SA

3  结论

(1) 布拉格光栅反射信号的不同寻址方式决定了FBG复用模式的不同机理，分别形成了WDM，TDM和SDM。不同的寻址机理决定了WDM，TDM和SDM的关键技术指标，并成为了现在复用容量、精度和实用性的瓶颈问题。解决WDM，TDM和SDM的瓶颈问题需要从联合3大经典复用方案和改进复用结构系统上来完成。

(2) 基于光纤布拉格光栅的传感器的核心工程价值在于多物理场的实时在线监测，这种实时在线监测一方面可以为大规模工程系统，尤其是巨大规模工程系统，乃至临界工程系统的健康诊断提供依据，更为重大的是将为物理系统运行原理设计提供全域基础数字数据集团。可以相信，基于光纤布拉格光栅传感器实时数据提取的数字设计工程将是数字制造的一个重大科学前沿，而且必将颠覆现有的工程设计模式。

(3) 基于光纤布拉格光栅传感器实时数据提取的数字设计工程的关键前提是构建大规模准分布式光纤布拉格光栅传感器网络(FBGSN)。FBGSN有3个发展方向，一是实现分布式实时测量，二是组建大规模传感网络，三是探索统一复用机理模型。

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(编辑 何运斌)

收稿日期：2011-05-16；修回日期：2011-07-11

基金项目：国家自然科学基金重大资助项目(20111g0088)

通信作者：祁耀斌(1966-)，男，湖北黄冈人，博士，副研究员，从事光纤传感器技术及组网研究；电话：18607192699；E-mail：robin@whut.edu.cn