桂 鑫，李政穎，王洪海，王立新，郭會(huì)勇

1.武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430070

2.武漢理工大學(xué)寬帶無(wú)線(xiàn)通信與傳感器網(wǎng)絡(luò)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430070

分布式光纖傳感技術(shù)因其具有高靈敏度、抗電磁干擾、體積小以及易復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外研究人員廣泛關(guān)注，它通過(guò)獲取光纖中光傳輸信號(hào)的變化（例如強(qiáng)度、相位、波長(zhǎng)和偏振等）來(lái)進(jìn)行溫度、應(yīng)變、振動(dòng)等多種物理量的分布式檢測(cè)，其研究成果已在大型建筑[1-2]、機(jī)械[3-4]、航空航天[5-6]、石油化工[7-8]等諸多領(lǐng)域的安全監(jiān)測(cè)[9]和故障診斷[4]方面得到廣泛的應(yīng)用?；诶⑸?、布里淵散射以及瑞利散射等光纖固有散射的分布式光纖傳感技術(shù)[10-13]，與基于光纖布拉格光柵（fiber Bragg grating, FBG）的準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)[14-16]是目前最為常用的兩類(lèi)分布式光纖傳感技術(shù)。前者主要利用光纖中的后向散射信號(hào)進(jìn)行傳感，其突出優(yōu)勢(shì)在于探測(cè)距離長(zhǎng)，已應(yīng)用于多種應(yīng)用場(chǎng)景的溫度及振動(dòng)檢測(cè)中，例如工業(yè)過(guò)程控制、井下石油及天然氣勘探、高速鐵路運(yùn)行安全等[12,17-18]。值得注意的是，由于光纖中散射系數(shù)較低，系統(tǒng)的信噪比通常不高，進(jìn)而影響到分布式傳感系統(tǒng)的空間分辨率及檢測(cè)靈敏度。為解決此問(wèn)題，研究人員通常采用多次平均的算法或人為增加散射系數(shù)的方法。數(shù)千次的平均[19]可以改善信噪比，但會(huì)造成系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的增加。而通過(guò)紫外線(xiàn)曝光[20]或飛秒激光加工[21-23]等方法來(lái)改善后向散射強(qiáng)度可有效提高信噪比，但其工藝上的均勻性與時(shí)效性是需要解決的問(wèn)題。

與基于后向散射的光纖分布式光纖傳感方法相比，基于FBG 的準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)具有的高信噪比與物理定位特性，能實(shí)現(xiàn)更高精度的分布式檢測(cè)與定位，其高靈敏度、高復(fù)用能力成為準(zhǔn)分布式傳感檢測(cè)的研究熱點(diǎn)，但其探測(cè)距離與系統(tǒng)復(fù)用容量受限于傳統(tǒng)制作工藝以及解調(diào)方法。為解決傳統(tǒng)多點(diǎn)FBG 制備工藝中的熔接損耗及機(jī)械強(qiáng)度不高的難題，本課題組研制了一種基于光纖拉絲塔的光柵陣列光纖在線(xiàn)制備工藝[24]，實(shí)現(xiàn)了數(shù)十萬(wàn)個(gè)弱反射率光纖光柵的無(wú)熔接點(diǎn)、高機(jī)械強(qiáng)度的光柵陣列光纖的在線(xiàn)制備，打破傳統(tǒng)制備工藝瓶頸，極大地促進(jìn)了基于光纖光柵的溫度、應(yīng)變及振動(dòng)的分布式傳感技術(shù)的發(fā)展。利用FBG 布拉格波長(zhǎng)隨溫度與應(yīng)變變化的特點(diǎn)，采用時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用、空分復(fù)用等復(fù)用技術(shù)可以構(gòu)建大規(guī)模溫度/應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)[25-27]。另外，通過(guò)檢測(cè)相鄰FBG 間的微振帶來(lái)的光波相位變化，采用相敏光時(shí)域反射技術(shù)可以構(gòu)建大規(guī)模分布式振動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)[28]。基于FBG 陣列光纖的準(zhǔn)分布式傳感在近幾年得到了快速發(fā)展，并在大型基建工程、鐵路隧道、石油石化等領(lǐng)域得到了實(shí)際應(yīng)用推廣[29]。

在這篇綜述中，我們回顧了基于光柵陣列光纖的準(zhǔn)分布式傳感領(lǐng)域的一些最新研究進(jìn)展，包括光柵陣列光纖的制備、分布式傳感原理、動(dòng)靜態(tài)解調(diào)方法及部分應(yīng)用。本文安排如下：第1 節(jié)，介紹了大規(guī)模光柵陣列光纖制備技術(shù)與工藝的進(jìn)展；第2 節(jié)，介紹了基于大規(guī)模光柵陣列光纖復(fù)用容量的影響因素、抑制方法與提升方法；第3 節(jié)，介紹了基于大規(guī)模光柵陣列光纖的分布式傳感解調(diào)技術(shù)，包括準(zhǔn)靜態(tài)的波長(zhǎng)解調(diào)、高速波長(zhǎng)解調(diào)，以及增強(qiáng)型聲波相位解調(diào)等；第4 節(jié)，介紹了基于光柵陣列光纖的重要應(yīng)用進(jìn)展以及工程應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)典型應(yīng)用案例，包括靜態(tài)波長(zhǎng)解調(diào)的溫度、應(yīng)變分布式傳感及動(dòng)態(tài)相位解調(diào)的聲波分布式傳感應(yīng)用。

1 大規(guī)模光柵陣列光纖在線(xiàn)制備技術(shù)

在傳統(tǒng)光柵陣列制作過(guò)程中，對(duì)光纖進(jìn)行的預(yù)處理會(huì)降低傳感光纖的機(jī)械強(qiáng)度并增加光纖的熔接損耗[30]。為解決此問(wèn)題，提出了一種光纖拉絲塔制備光柵陣列光纖的方法，在制備光纖的同時(shí)寫(xiě)入光柵，在未進(jìn)行光纖涂覆之前通過(guò)單脈沖激光曝光寫(xiě)入光纖布拉格光柵[31-34]，從而確保光纖結(jié)構(gòu)的完整性，避免了光纖預(yù)處理及多個(gè)光柵熔接帶來(lái)的機(jī)械強(qiáng)度下降以及光強(qiáng)損耗。自2005年起，國(guó)外基于光纖拉絲塔制備的光柵陣列光纖的研究較多，主要集中在德國(guó)FBGs 傳感器公司、德國(guó)光電子技術(shù)研究所和澳大利亞悉尼大學(xué)。2005年，德國(guó)光電子技術(shù)研究所Chojetzki 等[35]實(shí)現(xiàn)了高反射率FBG 的制備，完成了單脈沖反射率達(dá)到40% 的I 型光柵的制備。2010年，德國(guó)光電子技術(shù)研究所Rothhardet 等[36]對(duì)FBG 接入數(shù)量的提高進(jìn)行了研究，用拉絲塔在線(xiàn)制備技術(shù)實(shí)現(xiàn)了1 000 個(gè)1 550 nm 附近不同波長(zhǎng)、反射率約為30% 的FBG 無(wú)熔接點(diǎn)制備，但上述兩種制備工藝均采用塔爾博塔（Talbot）干涉法寫(xiě)入光柵；由于Talbot 干涉儀的光路較長(zhǎng)易受到周?chē)h(huán)境的影響，在沒(méi)有在線(xiàn)監(jiān)測(cè)手段的情況下，光柵的制備質(zhì)量難以得到保障。2012年，德國(guó)FBGs 傳感器公司Johnson[37]對(duì)在線(xiàn)制備光柵陣列光纖進(jìn)行了綜合研究并得出結(jié)論，基于光纖拉絲塔制備的光柵陣列光纖保留了標(biāo)準(zhǔn)通信光纖的機(jī)械強(qiáng)度。基于相位掩膜版的FBG 寫(xiě)入方法常常具有更高的穩(wěn)定性，如圖1所示，它是一種改進(jìn)型的基于光纖拉絲塔的光柵陣列光纖在線(xiàn)制備系統(tǒng)。本課題組應(yīng)用工業(yè)級(jí)光纖拉絲設(shè)備，在穩(wěn)定高度可控的條件下，采用掩膜版FBG 寫(xiě)入法實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模弱反射率光柵陣列光纖的制備，并取得了一定的成果[24,38-39]。除了拉絲塔在線(xiàn)制備光柵陣列光纖外，近年來(lái)，也有基于飛秒激光刻寫(xiě)的FBG 制備方法的報(bào)道[40]，可以在任意類(lèi)型的光纖上刻寫(xiě)FBG，具有較高的靈活性，然而此類(lèi)FBG 主要針對(duì)于極端環(huán)境下的參量感知，如高溫下的傳感具有十分優(yōu)異的性能[41]，但受加工方式的限制，分布式傳感的大規(guī)模工程應(yīng)用尚未見(jiàn)報(bào)道。

圖1 基于光纖拉絲塔的光柵陣列光纖在線(xiàn)制備系統(tǒng)Figure 1 Grating array fiber online preparation system based on fiber drawing tower

基于工業(yè)級(jí)光纖拉絲設(shè)備的在線(xiàn)光柵陣列光纖制備系統(tǒng)主要功能包括三部分：光纖拉制系統(tǒng)、FBG 寫(xiě)入系統(tǒng)以及陣列光纖收集系統(tǒng)。光纖拉制系統(tǒng)可控制光纖拉絲塔的光纖拉制速度以及牽引張力，F(xiàn)BG 寫(xiě)入系統(tǒng)采用相位掩膜版刻寫(xiě)方法，激光器采用脈沖寬度為10 ns，最大脈沖能量為40 mJ，光束的尺寸為4 mm×12 mm 的ArF 準(zhǔn)分子激光器（OptoSystems CL5300）。為了實(shí)現(xiàn)制備更高質(zhì)量的光柵陣列光纖，首先，針對(duì)傳輸損耗中的單脈沖激光光敏性的機(jī)理進(jìn)行了研究，揭示了控制光纖的內(nèi)部張力是影響低損耗光纖成柵的主要因素，解決了單脈沖FBG 寫(xiě)入法要求低傳輸損耗光纖具有良好的光敏性的問(wèn)題[42]。其次，通過(guò)研究制備系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性對(duì)光柵陣列光纖可靠性的影響，在證明制備系統(tǒng)的可靠性的同時(shí)，解決了光柵陣列光纖在老化過(guò)程中衰減較大的問(wèn)題[43]。另外，通過(guò)監(jiān)控并調(diào)節(jié)每個(gè)激光光斑的能量分布，提高激光脈沖一致性，解決由強(qiáng)度隨機(jī)不均勻性帶來(lái)光譜畸變而引起的解調(diào)精度下降的問(wèn)題[44]?；谠撝苽湎到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)制備大規(guī)模弱反射率光柵陣列光纖，該陣列光纖保留了標(biāo)準(zhǔn)通信光纖的機(jī)械強(qiáng)度，且其陣列光纖的光柵長(zhǎng)度、間隔、反射率等關(guān)鍵指標(biāo)均可精確控制與調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)基于各種實(shí)際工程應(yīng)用的定制化生產(chǎn)。

2 FBG 陣列復(fù)用容量提升方法

盡管光柵陣列光纖在線(xiàn)制備技術(shù)突破了傳統(tǒng)制備工藝中復(fù)用容量以及機(jī)械強(qiáng)度的限制，為實(shí)現(xiàn)更大的測(cè)量范圍以及更高的精度，需要長(zhǎng)度更長(zhǎng)以及復(fù)用容量更大的傳感器網(wǎng)絡(luò)。目前采用波分復(fù)用[45-46]、時(shí)分復(fù)用[47-48]、頻分復(fù)用[49-50]等技術(shù)組建的FBG 傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最為廣泛[51]。對(duì)于由FBG 組成的典型分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，復(fù)用能力主要受到光柵間的光譜陰影和多重反射串?dāng)_[52]，傳統(tǒng)方法采用降低光柵反射率抑制串?dāng)_的方法[25]，然而一味降低光柵反射率會(huì)導(dǎo)致傳感信號(hào)信噪比降低，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)于光電探測(cè)器的靈敏度要求更高，在國(guó)內(nèi)外的報(bào)道中，采用?40 dB 弱反射率的光柵使陣列的復(fù)用容量能到1 000 個(gè)[53]。另外，采用多個(gè)掩膜版切換制備具有多波長(zhǎng)的光柵陣列可提高復(fù)用容量，目前已報(bào)道的最大復(fù)用容量為單根2 000 個(gè)[47]，不能滿(mǎn)足目前應(yīng)用對(duì)光柵陣列大容量的需求。

基于上述研究現(xiàn)狀，本課題組提出一種具有隨機(jī)分布特征參量的大規(guī)模光纖光柵陣列，陣列的FBG 中心波長(zhǎng)和相鄰FBG 的間隔在一定范圍內(nèi)隨機(jī)，并同時(shí)實(shí)驗(yàn)證明了該方法可有效抑制光柵串?dāng)_效應(yīng)并提高陣列的復(fù)用容量[54]。本課題組分析了基于光學(xué)頻域反射技術(shù)（optical frequency domain reflectometry, OFDR）對(duì)多重反射效應(yīng)與光譜陰影效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制。相較于基于光時(shí)域反射技術(shù)（optical time domain reflection, OTDR），采用連續(xù)光的OFDR 技術(shù)所產(chǎn)生的多重反射效果影響更大，所以該分析也同樣適用于OTDR 技術(shù)。傳感信號(hào)的信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）是分布式傳感系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)，關(guān)系到解調(diào)系統(tǒng)的感測(cè)范圍與空間分辨率[55]。

對(duì)于多重反射于SNR 的影響，通過(guò)建立相關(guān)理論模型并進(jìn)行仿真，SNR 與光柵間距變化的關(guān)系如圖2 所示。光柵長(zhǎng)度為1 mm、間距為1 mm、反射率為?45 dB 的等間距光柵陣列U-FBG 陣列，相比于光柵間距隨機(jī)但平均光柵間距為1 mm 的RVCP-FBG 陣列的傳感信號(hào)，SNR 均隨著光柵數(shù)量的增加而降低。但后者顯示出SNR 質(zhì)量的惡化趨勢(shì)更慢，這意味著RVCP-FBG 陣列具有更高的復(fù)用容量。同時(shí)發(fā)現(xiàn)間隔隨機(jī)更大、且當(dāng)間距大于3 倍的光柵長(zhǎng)度時(shí)具有更好的SNR，也意味著其抑制三重反射效應(yīng)的能力更好，即更大的系統(tǒng)復(fù)用容量。

圖2 不同光柵間距時(shí)信噪比與光纖布拉格光柵數(shù)量的關(guān)系Figure 2 Relationship between SNR and the FBG number at different grating spacing

光譜陰影效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光柵譜型在陣列后端光柵反射譜信號(hào)發(fā)生凹陷，從而影響解調(diào)準(zhǔn)確性。在系統(tǒng)中，由特定SNR 所要求的最小光功率可判斷整個(gè)光柵分布式傳感系統(tǒng)的復(fù)用容量。故在建立相關(guān)理論模型后，對(duì)不同參數(shù)的弱反射率光纖光柵陣列與末端光柵的光功率進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖3 所示。對(duì)FBG 數(shù)量為5 000，光柵長(zhǎng)度分別為10 mm 和1 mm 的系列光纖光柵陣列進(jìn)行仿真，繪制了最后一個(gè)光柵的光譜強(qiáng)度，可以得到結(jié)論：當(dāng)光纖光柵陣列的中心波長(zhǎng)具有一定范圍的隨機(jī)性時(shí)，相比中心波長(zhǎng)一致的光纖光柵陣列，其反射光強(qiáng)更高，且隨機(jī)變化越大其峰值越尖銳，這意味著能夠更有效地抑制光譜陰影并能使系統(tǒng)的復(fù)用容量更大。但是由于制備工藝對(duì)于中心波長(zhǎng)的隨機(jī)范圍改變有限，通常只能在最大中心波長(zhǎng)為±0.25 nm 范圍內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)。

圖3 利用隨機(jī)中心波長(zhǎng)抑制光譜陰影效應(yīng)仿真結(jié)果圖Figure 3 Simulation result of the random center wavelength suppressing the spectral shadow effect

根據(jù)上述理論分析，基于光纖光柵在線(xiàn)制備系統(tǒng)以及理論仿真結(jié)果，制備了4 種反射率為?45 dB、柵長(zhǎng)為1 mm 的FBG 陣列，包括3 種隨機(jī)參數(shù)的光柵陣列（RVCP-FBG）與1 種全同參數(shù)的光柵陣列（U-FBG），U-FBG 陣列由5 000 個(gè)FBG 組成，另外3 種RVCP-FBG 陣列的中心波長(zhǎng)隨機(jī)約為±0.25 nm，F(xiàn)BG 的數(shù)量分別為8 000、8 000 及10 000，平均光柵間距根據(jù)設(shè)定分別為0.4 mm、1.2 mm、1.5 mm，間隔分別對(duì)應(yīng)于小于柵長(zhǎng)、小于3 倍柵長(zhǎng)、大于3倍柵長(zhǎng)的情況。采用OFDR 解調(diào)系統(tǒng)對(duì)FBG 陣列進(jìn)行解調(diào)，結(jié)果如圖4 所示。RVCP-FBG陣列相比U-FBG 陣列具有更好的SNR，其中U-FBG 的傳感信號(hào)已不能正確識(shí)別單個(gè)FBG的位置，因而不能進(jìn)行中心波長(zhǎng)的解調(diào)。RVCP-FBG 陣列中，當(dāng)間隔大于3 倍光柵長(zhǎng)度時(shí)，其SNR 最佳即其抑制多重串?dāng)_效應(yīng)的效果最佳。同時(shí)，通過(guò)在一定范圍內(nèi)的中心波長(zhǎng)隨機(jī)，可較好地抑制多重反射效應(yīng)，提高解調(diào)精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了理論分析與仿真的有效性，證明復(fù)用容量為10 000 個(gè)的大規(guī)模光柵陣列高性能制備與解調(diào)的可行性。

圖4 4 種不同隨機(jī)參數(shù)的FBG 陣列的頻域解調(diào)結(jié)果圖。(a) U-FBG array (b) 在(14.000～14.010 m)范圍的放大；(c) RVCP-FBG Array 1；(d) 在(12.25 ～12.26 m) 范圍的放大；(e) RVCP-FBG Array 2；(f) 在(17.00～17.01 m) 范圍的放大；(g) RVCP-FBG Array 3；(h) 在(23.02～23.03 m)范圍的放大Figure 4 Demodulation of the four FBG arrays in frequency domain.(a) U-FBG array (b) zoom in at (14.000～14.010 m); (c) RVCP-FBG Array 1; (d) zoom in at (12.25 ～12.26 m);(e) RVCP-FBG Array 2; (f) zoom in at (17.00 ～17.01 m); (g) RVCP-FBG Array 3;(h) zoom in at (23.02～23.03 m)

3 動(dòng)靜態(tài)解調(diào)方法研究

外界物理量變化會(huì)引起光纖光柵的柵距和纖芯有效折射率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光纖光柵的中心波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的漂移，通過(guò)光纖光柵的解調(diào)技術(shù)可得到光纖光柵的中心波長(zhǎng)漂移量，從而轉(zhuǎn)換為被測(cè)物理量的變化測(cè)量。為滿(mǎn)足大范圍長(zhǎng)距離的檢測(cè)需求，基于光纖光柵的分布式傳感系統(tǒng)利用時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用和空分復(fù)用來(lái)進(jìn)行組網(wǎng)，而基于大規(guī)模的光柵陣列光纖通常采用時(shí)分復(fù)用以及波分/時(shí)分混合復(fù)用技術(shù)來(lái)構(gòu)建大規(guī)模傳感網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)FBG 陣列的波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)也不斷向著高速、高精度、高空間分辨率等方向改進(jìn)和性能提升，以適應(yīng)一些特殊的特征參量測(cè)量領(lǐng)域。另外，光纖相位調(diào)制型傳感則是一種基于光纖干涉現(xiàn)象的高速分布式傳感技術(shù)，外界物理量作用于傳感光纖時(shí)，光纖軸向長(zhǎng)度或折射率發(fā)生改變，光的相位信息也會(huì)隨之變化。通過(guò)檢測(cè)光相位的變化情況，可以實(shí)現(xiàn)nm 量級(jí)的光纖長(zhǎng)度變化探測(cè)，靈敏度遠(yuǎn)高于波長(zhǎng)調(diào)制型傳感技術(shù)。目前常見(jiàn)的光纖相位調(diào)制型傳感技術(shù)主要基于光纖雙光束干涉（薩格納克干涉，邁克爾遜干涉和馬赫-曾德?tīng)柛缮妫┖拖辔幻舾行凸鈺r(shí)域反射技術(shù)（phase sensitive optical time domain reflectometer, Φ-OTDR）。本節(jié)就基于大規(guī)模光柵陣列光纖的分布式解調(diào)方法進(jìn)行論述，并著重介紹本課題組在動(dòng)靜態(tài)波長(zhǎng)調(diào)制型傳感方法及動(dòng)態(tài)增強(qiáng)型相位傳感方法的相關(guān)工作及研究進(jìn)展。

3.1 準(zhǔn)靜態(tài)FBG 陣列傳感技術(shù)

準(zhǔn)靜態(tài)FBG 陣列傳感技術(shù)主要是通過(guò)檢測(cè)FBG 反射光譜中心波長(zhǎng)的變化來(lái)感知外界環(huán)境溫度、應(yīng)變等物理量的變化[56]，主要分為OTDR 和OFDR 技術(shù)。

3.1.1 光時(shí)域反射技術(shù)

基于OTDR 技術(shù)的光柵陣列傳感技術(shù)是根據(jù)不同位置光柵反射光的延時(shí)量不同將串聯(lián)的光柵陣列在時(shí)域上分離，然后根據(jù)不同波長(zhǎng)的脈沖光反射回來(lái)的光脈沖強(qiáng)度拼接還原出整個(gè)光柵的光譜，從而實(shí)現(xiàn)傳感信息的定位和解調(diào)，系統(tǒng)原理圖如圖5 所示，該方法是目前FBG 陣列傳感技術(shù)廣泛采用的一種方法[57]。

圖5 光時(shí)域反射原理圖Figure 5 OTDR principal schematic diagram

由于受到脈沖寬度的限制，基于OTDR 技術(shù)的光柵陣列解調(diào)系統(tǒng)空間分辨率難以有效提高。而利用高耦合效率的長(zhǎng)光柵為提高OTDR 傳感系統(tǒng)的空間分辨率提供了新的研究方向。2013年，西班牙瓦倫西亞大學(xué)Sancho 等[58]利用OTDR 解調(diào)技術(shù)在10 cm 長(zhǎng)的FBG上進(jìn)行了點(diǎn)熱源實(shí)驗(yàn)，空間分辨率達(dá)2 mm。2016年，該課題組Ricchiuti 等[59]利用80 ps 的光脈沖尋址方法，解調(diào)了500 個(gè)長(zhǎng)度為9 mm 的FBG 構(gòu)成的5 m 長(zhǎng)全同弱光柵陣列，空間分辨率達(dá)1 cm。但這種方法除了無(wú)法達(dá)到長(zhǎng)距離的解調(diào)外，對(duì)數(shù)據(jù)采集的效率有很高的要求，系統(tǒng)成本高難以應(yīng)用于實(shí)際工程。

2020年，本課題組提出了一種基于超弱光纖光柵陣列和OTDR 的分布式熱點(diǎn)探測(cè)方法，系統(tǒng)原理如圖6 所示[60]。與傳統(tǒng)基于光纖光柵的傳感不同，該系統(tǒng)利用每個(gè)光纖段的整體反射譜進(jìn)行熱點(diǎn)探測(cè)，對(duì)光纖段中的任何超弱光纖光柵加熱都會(huì)導(dǎo)致其整體光譜的改變，采用該方式可以有效提高傳感系統(tǒng)的空間分辨率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用10 ns 脈沖寬度可以在2 km 范圍內(nèi)以10 cm 的感知分辨率和1 m 的定位分辨率成功探測(cè)到預(yù)期的熱點(diǎn)。該方法的測(cè)溫精度可達(dá)1?C，測(cè)量時(shí)間可達(dá)1.5 s，對(duì)某些油氣管道監(jiān)測(cè)應(yīng)用中厘米級(jí)火源的預(yù)警具有重要意義。

圖6 基于密集超弱FBG 陣列的解調(diào)系統(tǒng)原理圖Figure 6 Schematic diagram of demodulation system based on dense ultra-weak FBG array

3.1.2 光頻域反射技術(shù)

光頻域反射技術(shù)最早起源于1981年，由德國(guó)漢堡-哈爾堡工業(yè)大學(xué)Eickhoff等提出[61]，具有高靈敏度和高空間分辨率等優(yōu)勢(shì)，是近年來(lái)分布式光纖傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[62]。光頻域反射技術(shù)按照光源調(diào)制方法主要分為相干光頻域反射技術(shù)（coherent optical frequency domain reflection, C-OFDR）和非相干光頻域反射技術(shù)（incoherent optical frequency domain reflection, I-OFDR）。

3.1.2.1 相干光頻域反射技術(shù)

相干光頻域反射技術(shù)是基于光外差探測(cè)方式實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)原理如圖7 所示?？烧{(diào)諧激光器輸出光頻線(xiàn)性調(diào)諧的窄帶光，通過(guò)光耦合器1 分為本振光和傳感光，傳感光經(jīng)由光環(huán)形器輸入到光柵陣列光纖中，傳感光纖中的光纖光柵反射特定波長(zhǎng)的反射光再通過(guò)環(huán)形器輸入至光耦合器2 中，與本振光發(fā)生拍頻產(chǎn)生干涉信號(hào)，拍頻頻率由本振光和反射光信號(hào)頻率差決定。由于可調(diào)諧激光器線(xiàn)性調(diào)諧特性，不同光柵位置反射回來(lái)傳感信號(hào)與本振光產(chǎn)生不同的拍頻信號(hào)。因此可以通過(guò)傅里葉變換區(qū)分各個(gè)光柵的拍頻信號(hào)，同時(shí)對(duì)拍頻信號(hào)的幅度、相位等特征提取光柵的反射光譜。

圖7 基于C-OFDR 的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)原理圖Figure 7 C-OFDR principal schematic diagram

2015年，課題組采用超弱光纖光柵陣列結(jié)合C-OFDR 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大容量、高空間分辨率的準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的解調(diào)[63]，系統(tǒng)原理如圖8 所示。通過(guò)對(duì)拍頻信號(hào)的分離優(yōu)化和非線(xiàn)性校正，解決了可調(diào)諧激光器的非線(xiàn)性?huà)哳l問(wèn)題。利用拍頻信號(hào)的頻譜信息，實(shí)現(xiàn)了高空間分辨率的光纖光柵位置信息的提取，并進(jìn)行各個(gè)光柵拍頻信號(hào)時(shí)域上的分離，再結(jié)合希爾伯特變換還原光柵的反射光譜信息，實(shí)現(xiàn)光柵的波長(zhǎng)解調(diào)。實(shí)現(xiàn)了單根光纖上200 個(gè)間隔為20 mm、中心波長(zhǎng)為1 552.8 nm、反射率僅為0.1%的全同超弱反射光纖光柵的解調(diào)。

圖8 基于OFDR 的超弱反射光纖布拉格光柵陣列傳感系統(tǒng)原理圖Figure 8 Schematic diagram of ultra-weak reflection FBG array sensing system based on OFDR

為降低可調(diào)諧激光器非線(xiàn)性調(diào)諧效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高精度FBG 陣列解調(diào)，課題組還提出了一種可調(diào)諧激光器的高精度校準(zhǔn)方法，該方法不僅可以補(bǔ)償非線(xiàn)性效應(yīng)，還可以校準(zhǔn)激光器的瞬時(shí)輸出波長(zhǎng)和掃描速率[64]，其原理如圖9 所示。通過(guò)引入梳狀濾波器確定可調(diào)諧激光器的掃描速率和瞬時(shí)輸出波長(zhǎng)，從而提高傳感系統(tǒng)解調(diào)精度。由于梳狀濾波器的頻率選擇性，可以通過(guò)其透射峰獲得多個(gè)時(shí)頻參考點(diǎn)，采用線(xiàn)性擬合的方式可產(chǎn)生可調(diào)激光器的校準(zhǔn)掃描曲線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)的高精度校準(zhǔn)。

圖9 高精度FBG 解調(diào)系統(tǒng)原理圖Figure 9 Schematic diagram of high-precision FBG demodulation system

通過(guò)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)和應(yīng)變傳感實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的校準(zhǔn)精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用該方法校準(zhǔn)的可調(diào)諧激光器，F(xiàn)BG 解調(diào)的穩(wěn)定性和波長(zhǎng)分辨率分別可達(dá)0.088 pm 和0.030 pm。比較有無(wú)梳狀濾波器的解調(diào)精度結(jié)果表明，引入梳狀濾波器可使波長(zhǎng)解調(diào)精度提高15 倍。2017年，本課題組研制了一種大容量密集超短光柵陣列，陣列中各個(gè)超短光柵長(zhǎng)度為1.0 mm，間隔為0.5 mm，結(jié)合OFDR 解調(diào)系統(tǒng)完成了傳感陣列長(zhǎng)度為10 m、空間分辨率為1.5 mm 的大容量弱光柵陣列的解調(diào)[54]，通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了1.0?C 的溫度誤差和20.02 με的應(yīng)變誤差。由于受限于超短光柵譜寬展寬，難以實(shí)現(xiàn)更高精度和空間分辨率的解調(diào)系統(tǒng)。

為了解決超短弱光柵陣列光纖由于譜寬增寬導(dǎo)致解調(diào)精度下降的問(wèn)題，提出了一種基于微腔陣列光纖的分布式傳感技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高精度全分布式傳感[65]。微腔陣列光纖由密集超短光柵陣列構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖10 所示。在超短全同弱光柵陣列光纖中，兩兩相鄰的FBG 構(gòu)成一個(gè)微腔單元作為傳感元件，因此可使傳感區(qū)域連續(xù)分布從而實(shí)現(xiàn)全分布式傳感。與利用光纖內(nèi)部后向散射效應(yīng)的技術(shù)相比，基于微腔陣列光纖的傳感系統(tǒng)的信噪比更高。與密集超短光纖光柵陣列相比，微腔單元的反射光譜條紋精細(xì)度也更高，可以實(shí)現(xiàn)更高精度的解調(diào)。通過(guò)在線(xiàn)寫(xiě)入技術(shù)制作了一根長(zhǎng)度為7.18 m 的光柵陣列光纖，其中每個(gè)微腔單元長(zhǎng)度為1.24 mm，共形成8 556 個(gè)微腔單元。實(shí)現(xiàn)了熱敏系數(shù)為10.98～11.43 pm/?C、波長(zhǎng)解調(diào)精度小于1.79 pm、溫度精度小于0.157?C 的全分布式溫度傳感。

圖10 微腔陣列光纖結(jié)構(gòu)圖Figure 10 Micro-cavity array fiber structure diagram

3.1.2.2 非相干光頻域反射技術(shù)

非相干光頻域反射技術(shù)是通過(guò)連續(xù)調(diào)頻波技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，起源于頻率調(diào)制連續(xù)波激光雷達(dá)系統(tǒng)[66]，其原理與相干光頻域反射技術(shù)相似，原理如圖11 所示。利用連續(xù)掃頻信號(hào)源驅(qū)動(dòng)電光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對(duì)可調(diào)諧激光器輸出光強(qiáng)調(diào)制，通過(guò)光環(huán)形器輸入至光纖光柵陣列中，反射回的信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后與另一路驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行混頻，然后采用低通濾波器濾除混頻后的高頻信號(hào)。由于不同位置光柵反射光信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)混頻后的頻率差不同，因此通過(guò)差頻信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)光柵的定位，通過(guò)控制可調(diào)諧激光器使其輸出掃描光，即可實(shí)現(xiàn)各個(gè)光柵的光譜解調(diào)。

圖11 非相干光頻域反射系統(tǒng)原理圖Figure 11 Schematic diagram of incoherent OFDR principle

2016年，埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)Werzinger 等[67]采用I-OFDR 和步進(jìn)可調(diào)諧激光光源的波長(zhǎng)掃描相結(jié)合的方法研究了光柵陣列光纖的準(zhǔn)分布探測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低至cm 范圍的空間分辨率。2017年，本課題組采用DFB 激光器，提出了一種基于調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的弱反射光纖光柵陣列解調(diào)方法[68]，實(shí)現(xiàn)了單根光纖上串接100 個(gè)間隔5 m、反射率僅為0.1% 的全同弱光柵的解調(diào)，在0～80?C 的溫度范圍內(nèi)，解調(diào)誤差在13 pm 內(nèi)。

用I-OFDR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)光柵位置信息解調(diào)，可以有效降低解調(diào)系統(tǒng)對(duì)激光器相干長(zhǎng)度的要求，因此可以提高探測(cè)距離進(jìn)而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大容量光柵陣列的解調(diào)。2019年，本課題組利用I-OFDR 技術(shù)，研究了一種大容量光纖光柵陣列的解調(diào)技術(shù)[69]，系統(tǒng)原理如圖12 所示。通過(guò)使用混沌光源減少了反射傳感信號(hào)之間的干擾，顯著提高了解調(diào)系統(tǒng)的空間分辨率，實(shí)現(xiàn)了3 640 個(gè)反射率約為0.01%、間隔為10 cm 的全同弱光柵陣列的解調(diào)，波長(zhǎng)解調(diào)精度為15 pm。

圖12 基于光纖布拉格光柵陣列的I-OFDR 系統(tǒng)原理示意圖Figure 12 Schematic diagram of I-OFDR principle based on FBG array

綜上所述，OTDR 傳感技術(shù)通常適用于遠(yuǎn)距離傳感，但受限于脈沖調(diào)制寬度，難于同時(shí)實(shí)現(xiàn)高信噪比和高空間分辨率，其空間分辨率通常只能在m 量級(jí)左右。而OFDR 傳感技術(shù)相對(duì)OTDR 具備更高的空間分辨率，其空間分辨率可以到mm 量級(jí)，但傳感距離通常小于1 km。

3.2 高速FBG 陣列波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)

光纖光柵傳感技術(shù)的核心之一在于實(shí)現(xiàn)光纖光柵波長(zhǎng)的解調(diào)。圖13 列出了多種典型的光纖光柵傳感器的應(yīng)用和對(duì)應(yīng)的解調(diào)技術(shù)。在10 Hz 解調(diào)頻率水平，低速光纖光柵解調(diào)可用于高精度靜態(tài)環(huán)境的測(cè)量，例如大型建筑的健康監(jiān)測(cè)與環(huán)境溫度檢測(cè)。光譜儀為典型的靜態(tài)解調(diào)設(shè)備，但其為機(jī)械式掃描，刷新速率低。在1 kHz 解調(diào)頻率水平，光纖光柵傳感器主要應(yīng)用于低頻振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)，該解調(diào)范圍的光纖光柵解調(diào)應(yīng)用與對(duì)應(yīng)的解調(diào)技術(shù)十分成熟，已有大量關(guān)于建筑、橋梁的健康監(jiān)測(cè)以及多種機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的報(bào)道[70-72]，大部分商用解調(diào)儀如美國(guó)Micron Optics（MOI）公司推出的高性能解調(diào)儀SI15、SI255 在這一解調(diào)頻率水平。在100 kHz 解調(diào)頻率水平，光纖光柵解調(diào)應(yīng)用在高頻振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)中，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的齒輪、轉(zhuǎn)子葉片等旋轉(zhuǎn)類(lèi)機(jī)械部件的檢測(cè)，研究數(shù)據(jù)顯示[73-74]，航空齒輪箱內(nèi)齒輪嚙合頻率可高達(dá)8.2 kHz，葉片發(fā)生高階共振頻率達(dá)11.1 kHz，這就需要傳感系統(tǒng)具備更高頻率范圍的光纖光柵信號(hào)測(cè)量能力，對(duì)光纖光柵的解調(diào)速度提出了極高的要求。

圖13 光纖布拉格光柵典型應(yīng)用及對(duì)應(yīng)的解調(diào)技術(shù)Figure 13 Typical FBG application and corresponding demodulation technology

3.2.1 基于各類(lèi)光源的高速光纖光柵解調(diào)技術(shù)

光纖光柵作為無(wú)源光器件，其光信號(hào)的激發(fā)離不開(kāi)解調(diào)系統(tǒng)中的光源作用，高速光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)離不開(kāi)激光光源的選擇與設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)高速光纖光柵解調(diào)，首先要考慮常應(yīng)用在光纖光柵解調(diào)的光源包括寬帶光源、脈沖光源以及掃頻光源。

3.2.1.1 基于寬帶光源的高速光纖光柵解調(diào)

寬帶光源可直接激發(fā)光纖光柵產(chǎn)生全反射光譜，傳統(tǒng)光纖光柵光譜解調(diào)技術(shù)通常會(huì)直接檢測(cè)FBG 反射波長(zhǎng)的變化量[75-76]。隨著光譜成像技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了微型化光譜儀在光纖光柵解調(diào)中的應(yīng)用，其中最多的是采用美國(guó)Bayspec 公司推出的光纖光柵解調(diào)分析儀（fiber Bragg grating interrogation analyzer, FBGA），具有體積小、功耗低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，光纖光柵解調(diào)速度可達(dá)5 kHz?；谠揊BGA 模塊已開(kāi)發(fā)出多款集成[77]光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)[78]，并已廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)力學(xué)、結(jié)構(gòu)損傷、鋼筋混泥土等領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)還無(wú)法自主研發(fā)，只能在原有進(jìn)口設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，受限于核心器件FBGA 模塊的性能局限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)5 kHz 以上速度的解調(diào)。

3.2.1.2 基于脈沖光源的高速光纖光柵解調(diào)

與寬帶光源不同，可調(diào)制的脈沖光源往往可以實(shí)現(xiàn)很高的刷新頻率，而通過(guò)與光時(shí)域反射方法的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)大容量光纖光柵的復(fù)用。2016年，美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)Ma 等[79]采用脈沖色散法實(shí)現(xiàn)了光纖光柵陣列的高速解調(diào)，如圖14 所示，經(jīng)過(guò)調(diào)制的脈沖光源發(fā)出高速光脈沖，經(jīng)全同弱光柵陣列依次反射，反射的脈沖經(jīng)過(guò)色散補(bǔ)償光纖時(shí)產(chǎn)生的色散效應(yīng)，將光纖光柵的波長(zhǎng)變化轉(zhuǎn)換為時(shí)域中的時(shí)延變化，根據(jù)脈沖時(shí)延可以實(shí)現(xiàn)各光纖光柵的高速解調(diào)，解調(diào)速率高達(dá)20 kHz，解調(diào)精度約9.03 pm。

圖14 脈沖色散法的原理圖Figure 14 Schematic diagram of the principle of pulse dispersion method

2015年，本課題組[80]同樣采用脈沖激光光源，利用色散補(bǔ)償光纖的色散延遲效應(yīng)進(jìn)行波長(zhǎng)-時(shí)間的轉(zhuǎn)換，通過(guò)犧牲解調(diào)頻率，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行10 次平均后進(jìn)行波長(zhǎng)解調(diào)，系統(tǒng)解調(diào)速度可達(dá)100 kHz，解調(diào)誤差可提高到27.8 pm。

3.2.1.3 基于掃頻激光器的高速光纖光柵解調(diào)

掃頻光源是波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)諧并隨時(shí)間編碼的激光光源，大體分為：線(xiàn)型腔掃頻激光器、基于時(shí)域色散的掃頻激光器，以及基于可調(diào)諧濾波器的短、長(zhǎng)腔掃頻激光器等。代表性的線(xiàn)型腔掃頻激光器為分布反饋式二極管激光器。2015年，本課題組[81]采用分布式反饋激光器構(gòu)成了高速掃頻激光器。通過(guò)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)解調(diào)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，解調(diào)系統(tǒng)精度約為8 pm，并可分析50 kHz 以?xún)?nèi)的頻譜信息，解調(diào)頻率達(dá)到了100 kHz。該光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，可用于光纖光柵100 kHz 的高速解調(diào)。2017年，本課題組[82]針對(duì)原基于DFB 掃頻激光器的解調(diào)系統(tǒng)只能進(jìn)行單光柵解調(diào)的缺陷進(jìn)行了改進(jìn)，在保持100 kHz 高速解調(diào)的前提下，采用全同弱光柵陣列將光纖光柵傳感容量提高到10 個(gè)，并提出了波形缺失修復(fù)算法，動(dòng)態(tài)解調(diào)范圍提高了40%。

在鎖模激光器輸出的寬譜脈沖光中加入色散光纖，不同頻率的光便會(huì)因?yàn)樗俣炔煌a(chǎn)生不同的時(shí)延，從而在實(shí)現(xiàn)光源的時(shí)間-波長(zhǎng)映射，進(jìn)而得到穩(wěn)定的掃頻光，該技術(shù)稱(chēng)為基于時(shí)域色散（色散調(diào)諧）的掃頻技術(shù)，最早是由臺(tái)灣大學(xué)Tong 等[83]提出的。2009年，日本東京大學(xué)同研究組Nakazaki 等[84]將基于時(shí)域色散的掃頻光源應(yīng)用在光纖傳感領(lǐng)域，利用基于時(shí)域色散的掃頻光源實(shí)現(xiàn)了40 kHz 光纖光柵解調(diào)，并對(duì)150 Hz 的動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量。

另一種常見(jiàn)的掃頻實(shí)現(xiàn)方法是可調(diào)諧法布里-珀羅（Fabry-Perot, F-P）濾波器方法。2012年，本課題相關(guān)研究人員[85]提出4 通道大容量光纖光柵解調(diào)儀。光纖光柵解調(diào)儀的穩(wěn)定性為2 pm，分辨率為1 pm，測(cè)量精度為5 pm，解調(diào)頻率為4 kHz。為了突破傳統(tǒng)諧振腔內(nèi)各波長(zhǎng)激光建立時(shí)間對(duì)掃頻激光器掃頻速度的限制，麻省理工學(xué)院的Huber 等[86]在傳統(tǒng)短腔鎖模技術(shù)的基礎(chǔ)上于2006年提出了傅里葉鎖模技術(shù)（fourier domain mode locking, FDML）技術(shù)，可在不犧牲掃頻激光器的調(diào)諧范圍以及瞬時(shí)線(xiàn)寬等參數(shù)的前提下，突破短腔諧振結(jié)構(gòu)最大掃頻速度的限制。2008年，韓國(guó)釜山大學(xué)Jung 等[87]首次將傅里葉域鎖模技術(shù)應(yīng)用于光纖傳感方向，用FDML 掃頻激光器構(gòu)建了光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，該解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)頻率達(dá)31.3 kHz，掃描范圍為70 nm，極大地突破了傳統(tǒng)掃頻激光器的掃描限制，傳感部分連接了4 個(gè)不同波長(zhǎng)的光纖光柵，進(jìn)行了動(dòng)靜態(tài)的應(yīng)力測(cè)量。2016年，韓國(guó)忠南大學(xué)Park 等[88]在1 550 m 波段搭建了FDML 掃頻激光器，進(jìn)一步將激光器掃頻速度提高到40.6 kHz。2017年，日本大學(xué)的Yamaguchi 等[89]采用傅里葉鎖模激光器，實(shí)現(xiàn)了20 kHz 的光纖光柵解調(diào)頻率，成功地在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上測(cè)量到4.65 kHz 的高速振動(dòng)，證明了基于FDML 的光纖光柵系統(tǒng)具有高頻動(dòng)應(yīng)變測(cè)量能力。FDML 掃頻激光器突破了傳統(tǒng)短腔鎖模技術(shù)的限制，解調(diào)速度可達(dá)上百kHz，但基于掃頻激光器的解調(diào)方案目前還存在復(fù)用方式單一、穩(wěn)定性較差、缺少大容量數(shù)據(jù)信號(hào)處理能力等問(wèn)題。

3.2.2 脈沖波長(zhǎng)掃描的高速解調(diào)方法

近年來(lái)，光纖光柵拉絲塔在線(xiàn)刻寫(xiě)技術(shù)[43]的發(fā)展促進(jìn)了全同弱光柵陣列的廣泛應(yīng)用，基于時(shí)分復(fù)用（time domain multiplexing, TDM）的全同弱反射光纖光柵陣列克服了波分復(fù)用（wavelength domain multiplexing, WDM）中光源帶寬對(duì)系統(tǒng)傳感容量的限制，極大地提高了傳感容量。

3.2.2.1 連續(xù)掃頻光時(shí)域反射高速解調(diào)

從理論上來(lái)說(shuō)，只要掃頻激光器波長(zhǎng)掃描速度Vsweep夠快，每個(gè)全同光纖光柵所占用的時(shí)間帶寬?t就可以足夠小，當(dāng)?t小于空間間隔帶來(lái)的時(shí)間延遲tdelay時(shí)就可以將所有的光柵在時(shí)域上進(jìn)行區(qū)分?；诖?，本課題組搭建了基于脈沖波長(zhǎng)掃描方法的高速解調(diào)系統(tǒng)[90]，如圖15 所示，系統(tǒng)利用FDML 掃頻激光器的高速掃描特點(diǎn)，結(jié)合光柵間的光傳輸延時(shí)實(shí)現(xiàn)全同光柵在時(shí)域上的分離，一次掃頻就可以得到完整的全同光柵陣列反射光譜，系統(tǒng)解調(diào)頻率不受陣列的復(fù)用容量影響，可以極大地減小OTDR 系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和解調(diào)復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了反射率為1%、間隔為20 m 的18 個(gè)FBG 陣列的120 kHz 全同弱光柵陣列的高速解調(diào)，解調(diào)準(zhǔn)確度為15 pm、分辨率為1 pm。

圖15 基于FDML 掃頻激光器的脈沖波長(zhǎng)掃描解調(diào)系統(tǒng)Figure 15 Pulse wavelength scanning demodulation system based on FDML sweep frequency laser

3.2.2.2 WDM/TDM 混合復(fù)用弱光柵陣列的高速解調(diào)

全同弱光柵只需要小段波長(zhǎng)掃描范圍，并沒(méi)有利用FDML 掃頻激光器大波長(zhǎng)掃描范圍的優(yōu)勢(shì)，本課題組提出基于WDM/TDM 多編碼的弱光柵復(fù)用方法[91]，設(shè)計(jì)了多個(gè)相同的WDM 弱光柵組合，再由延遲光纖相連構(gòu)成了TDM 陣列，既保留了WDM 無(wú)需空間間隔的優(yōu)點(diǎn)，又采用TDM 突破了傳統(tǒng)FDML 解調(diào)系統(tǒng)的傳感器容量受波長(zhǎng)掃描帶寬限制的問(wèn)題。設(shè)計(jì)的高速解調(diào)系統(tǒng)如圖16 所示，為了解決光柵位置信息與波長(zhǎng)信息混亂的問(wèn)題，提出了以多編碼的方式對(duì)WDM/TDM 光柵以波長(zhǎng)、時(shí)間為參量進(jìn)行提前編碼。實(shí)現(xiàn)了WDM/TDM光柵陣列35 個(gè)弱光柵的時(shí)域區(qū)分，動(dòng)態(tài)解調(diào)頻率達(dá)到100 kHz。

圖16 基于FDML 掃頻激光器的WDM/TDM 弱光柵高速解調(diào)系統(tǒng)Figure 16 WDM/TDM weak FBG array high-speed demodulation system based on FDML sweep frequency laser

3.3 FBG 陣列增強(qiáng)型分布式聲波傳感

光纖分布式聲波傳感（distributed acoustic sensing, DAS）主要集中于沿光纖的動(dòng)態(tài)信號(hào)傳感，結(jié)合了干涉測(cè)量的高靈敏度和光纖的全分布式雙重優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離高靈敏度的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)，近年來(lái)已廣泛研究并應(yīng)用在諸多領(lǐng)域中，如地震預(yù)警[92-93]、交通監(jiān)測(cè)[94]、水聲探測(cè)[95-96]和周界安防[97]等。由于FBG 相比于光纖中散射信號(hào)具有更高的反射強(qiáng)度，雖然相比較基于光纖散射的分布式傳感長(zhǎng)度不具有優(yōu)勢(shì)，但在檢測(cè)距離要求在上百km 以下的應(yīng)用場(chǎng)景中，它的引入使得光纖分布式聲波傳感技術(shù)具有更高的信噪比以及相對(duì)更高的靈敏度，其解調(diào)速度也會(huì)相應(yīng)獲得提升。下面將介紹FBG 傳感陣列光纖在分布式聲波傳感系統(tǒng)中的最新研究。

3.3.1 分布式聲波傳感高速解調(diào)系統(tǒng)

在包括強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、偏振態(tài)等多種光纖傳感調(diào)制形式當(dāng)中，基于光學(xué)干涉的相位調(diào)制型光纖DAS 技術(shù)具有極高的靈敏度和廣闊的應(yīng)用前景。目前相位調(diào)制型光纖DAS 技術(shù)主要有光纖雙干涉儀和相位敏感型光時(shí)域反射兩種。雙干涉儀技術(shù)通過(guò)空分復(fù)用獲取傳感光纖周?chē)穆暡ㄐ畔ⅲǚ群皖l率），如Sagnac-Sagnac[97]、Sagnac-MZ[98]、Sagnac-Michelson[99]和MZ-MZ[100]等，但它們的光路設(shè)計(jì)和解調(diào)算法較復(fù)雜，都難以滿(mǎn)足分布式高速實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用需求。另外，全光纖式的Φ-OTDR 系統(tǒng)中的相干散射光強(qiáng)度很弱[101]，典型散射系數(shù)約為?80 dB，系統(tǒng)需要使用高相干激光光源來(lái)保證系統(tǒng)低相位噪聲，同時(shí)后期數(shù)據(jù)處理需要利用高階信號(hào)平滑濾波來(lái)進(jìn)一步提升系統(tǒng)信噪比[102-103]，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理負(fù)荷較大，只適用于低速窄帶寬的聲波傳感應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)高速的DAS 解調(diào)系統(tǒng)，本課題組提出了一種基于全同超弱（?40 dB）光纖布拉格光柵的高速M(fèi)ach-Zehnder-OTDR 分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)[104]，如圖17 所示。系統(tǒng)中全同弱光柵構(gòu)成斐索干涉結(jié)構(gòu)，F(xiàn)BG 作為反射基元，而兩相鄰FBG 之間的單模光纖作為光纖傳感測(cè)區(qū)，外部擾動(dòng)信號(hào)將造成傳感測(cè)區(qū)相位的變化，利用相位解調(diào)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)測(cè)區(qū)的獨(dú)立聲波感知。目前在相位解調(diào)方案中，最常用的兩種方法為相位生成載波技術(shù)[101,105]和基于3×3 耦合器的數(shù)字相位解調(diào)技術(shù)。兩者都具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[106]：前者動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)線(xiàn)性度好、易實(shí)現(xiàn)；后者解調(diào)方案簡(jiǎn)單、無(wú)需進(jìn)行載波調(diào)制、對(duì)激光器要求低等。因此，本課題組通常采用基于3×3 耦合器的數(shù)字相位解調(diào)技術(shù)進(jìn)行相位的還原。系統(tǒng)利用全同F(xiàn)BG 陣列結(jié)合光學(xué)干涉，形成的反射信號(hào)強(qiáng)度比瑞利散射高3～4 個(gè)數(shù)量級(jí)，可以獲得較高信噪比的干涉光脈沖和聲波信號(hào)，極大地降低了分布式聲波傳感系統(tǒng)的系統(tǒng)噪聲。同時(shí)，該系統(tǒng)用成本較低的DFB 激光器，其線(xiàn)寬約為17.8 MHz，極大地降低了Φ-OTDR 系統(tǒng)對(duì)窄線(xiàn)寬激光器的過(guò)度依賴(lài)和硬件成本。

圖17 高速M(fèi)ach-Zehnder-OTDR 光纖分布式聲波傳感系統(tǒng)Figure 17 High-speed Mach-Zehnder-OTDR optical fiber distributed acoustic wave sensing system

該系統(tǒng)在長(zhǎng)為1 km 的傳感光纖中實(shí)現(xiàn)了3 m 的空間分辨率和多個(gè)聲源的同時(shí)定位，無(wú)平滑濾波時(shí)SNR 高達(dá)6.7 dB。系統(tǒng)的頻率響應(yīng)范圍達(dá)10～25 kHz，在10 Hz 和25 kHz 下的頻率響應(yīng)結(jié)果分別如圖18(a) 和18(b) 所示，可以看出所提出系統(tǒng)對(duì)10 Hz 和25 kHz 的聲波信號(hào)都具有明顯極高信噪比的解調(diào)能力。所提出的Mach-Zehnder-OTDR 分布式聲波傳感系統(tǒng)憑借較高的信噪比和無(wú)需額外的平滑濾波處理，大大降低了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解調(diào)負(fù)荷，為DAS系統(tǒng)的高速實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供了理論支撐。

圖18 Mach-Zehnder-OTDR 分布式聲波傳感系統(tǒng)頻率響應(yīng)結(jié)果Figure 18 Frequency response results of Mach-Zehnder-OTDR distributed acoustic wave sensing system

3.3.2 高動(dòng)態(tài)范圍分布式聲波傳感

相位調(diào)制型DAS 技術(shù)利用瑞利散射光的相位波動(dòng)信息來(lái)感知外界聲波信號(hào)，其中瑞利散射光的相位表示聲波振幅在傳感光纖上的空間積分[107]，使系統(tǒng)的聲壓靈敏度與空間分辨率保持密切相關(guān)。相位解調(diào)是基于相位調(diào)制的DAS 系統(tǒng)將光干涉信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波傳感信號(hào)的核心步驟，也是DAS 系統(tǒng)進(jìn)行下一步陣列信號(hào)處理和勘測(cè)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。其中相位解纏[108-109]是高動(dòng)態(tài)范圍相位解調(diào)的核心技術(shù)之一，已廣泛應(yīng)用于光纖傳感[110]、合成孔徑雷達(dá)[111]、數(shù)字全息[112-113]、相干層析[114]等光學(xué)干涉檢測(cè)技術(shù)中。目前，光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域中大多數(shù)DAS 技術(shù)研究和工程應(yīng)用均基于單波長(zhǎng)光學(xué)干涉和相位解調(diào)，系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理高效，然而局限性在于任何相鄰兩采樣點(diǎn)之間的相位變化不能超過(guò)π，即π 相位原則限制[109]，否則必須依賴(lài)提升DAS 系統(tǒng)解調(diào)頻率來(lái)降低這種約束。在單根光纖上級(jí)聯(lián)有上千個(gè)弱FBG 的大容量長(zhǎng)距離FBG 陣列DAS 系統(tǒng)中，解調(diào)頻率是極其珍貴的“系統(tǒng)資源”，關(guān)乎到DAS 系統(tǒng)的綜合性能，為了提升動(dòng)態(tài)范圍而犧牲解調(diào)頻率，不僅降低了系統(tǒng)帶寬而且加重了傳感系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的負(fù)荷。而在近幾年光纖傳感技術(shù)的研究中，已有合成雙波長(zhǎng)高動(dòng)態(tài)范圍的相關(guān)報(bào)道[109]，然而合成波長(zhǎng)相位解纏系統(tǒng)仍然無(wú)法擺脫π 相位原則的枷鎖，動(dòng)態(tài)范圍提升幅度極為有限。DAS 技術(shù)在軌道交通、周界安防、水聲探測(cè)等存在大幅度聲波信號(hào)領(lǐng)域中的應(yīng)用仍面臨著很多困難和挑戰(zhàn)。

針對(duì)當(dāng)前光纖DAS 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍不足、應(yīng)用領(lǐng)域窄等問(wèn)題，本課題組近年提出了一種新的相位解纏算法，稱(chēng)作雙波長(zhǎng)線(xiàn)性回歸分析相位解纏算法[115-116]。雙波長(zhǎng)線(xiàn)性回歸相位解纏算法從原理上解決了傳統(tǒng)π 相位原則的限制，雙波長(zhǎng)回歸分析相位解纏算法只利用了當(dāng)前采樣時(shí)刻雙波長(zhǎng)下的相位之間的線(xiàn)性關(guān)系，而與前后采樣點(diǎn)之間無(wú)直接聯(lián)系，因此可以實(shí)現(xiàn)與采樣率無(wú)關(guān)的高動(dòng)態(tài)范圍相位解調(diào)，即使對(duì)于高頻信號(hào)也可以正?；謴?fù)，同時(shí)系統(tǒng)噪聲水平達(dá)到單波長(zhǎng)水平。

為了驗(yàn)證提出的雙波長(zhǎng)相位解纏系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和可靠性，系統(tǒng)采用λ1= 1 310 nm 和λ2= 1 550 nm 雙波長(zhǎng)窄線(xiàn)寬激光光源，通過(guò)波分復(fù)用技術(shù)和聲波共路傳感結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了高動(dòng)態(tài)范圍光纖聲波傳感系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖19 所示。雙波長(zhǎng)激光光源的線(xiàn)寬分別為?ν1=500 kHz 和?ν2=100 kHz，系統(tǒng)利用馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x和3×3 光纖耦合器數(shù)字相位解調(diào)技術(shù)，利用壓電陶瓷管（piezoelectric transducer, PZT）模擬外界振動(dòng)信號(hào)，并將2.5 m的單模光纖緊密均勻纏繞在PZT 上使光纖發(fā)生周期性伸縮產(chǎn)生單頻正弦相位變化。系統(tǒng)還在干涉儀的參考臂中加入了數(shù)控可調(diào)光延時(shí)線(xiàn)，利用基于“白光”干涉原理的臂長(zhǎng)差控制技術(shù)，將干涉儀臂長(zhǎng)差控制在60 μm 以?xún)?nèi)，減小了由非全等臂干涉儀引入的冗余相位噪聲，提高了3×3 耦合器相位預(yù)解調(diào)的解調(diào)精度。

圖19 高動(dòng)態(tài)范圍光纖聲波傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 19 High dynamic range optical fiber acoustic wave sensing system structure diagram

該系統(tǒng)使用驅(qū)動(dòng)頻率為100 Hz 且幅度不斷增大的PZT 聲波信號(hào)來(lái)驗(yàn)證單波長(zhǎng)（1λ1,2）、合成波長(zhǎng)（1Λ）[109]和新雙波長(zhǎng)（2λ-LRPU）三種相位解纏技術(shù)的動(dòng)態(tài)范圍，完整相位解調(diào)結(jié)果如圖20 所示?？擅黠@看出，PZT 聲波信號(hào)分為5 個(gè)階段并且在幅度逐漸增大的過(guò)程中，單波長(zhǎng)和合成波長(zhǎng)相位解纏技術(shù)逐漸失效，只有提出的雙波長(zhǎng)線(xiàn)性回歸技術(shù)能始終準(zhǔn)確地恢復(fù)真實(shí)聲波相位波形，實(shí)驗(yàn)證明了我們提出的雙波長(zhǎng)線(xiàn)性回歸分析相位解調(diào)系統(tǒng)的可靠性。雙波長(zhǎng)相位解纏具有高動(dòng)態(tài)范圍、低系統(tǒng)噪聲以及可低采樣率解調(diào)的優(yōu)良性能，使得干涉型分布式聲波傳感的應(yīng)用領(lǐng)域更廣，穩(wěn)定性更強(qiáng)。

圖20 三種相位解纏技術(shù)下動(dòng)態(tài)范圍驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Figure 20 Dynamic range verification experimental results under three phase unwrapping techniques

3.3.3 動(dòng)靜態(tài)共同感知

為了在微振、溫度、應(yīng)變等多參量測(cè)量需求的應(yīng)用環(huán)境中實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜態(tài)同時(shí)傳感測(cè)量，我們提出了一種基于超短光纖布拉格光柵陣列的分布式動(dòng)靜態(tài)共同感知方案[117]，以實(shí)現(xiàn)多測(cè)點(diǎn)高穩(wěn)定度的靜態(tài)傳感和高靈敏度的動(dòng)態(tài)傳感，如圖21 所示。系統(tǒng)結(jié)合了基于雙波長(zhǎng)邊緣濾波的超短光纖布拉格光柵波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)和基于光纖干涉的相位調(diào)制型傳感技術(shù)，兩者所用光源的線(xiàn)寬均遠(yuǎn)窄于超短光纖布拉格光柵的反射光譜寬帶，而且雙波長(zhǎng)邊緣濾波技術(shù)算法復(fù)雜度低、光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使得兩種解調(diào)結(jié)構(gòu)的光源和部分光路實(shí)現(xiàn)共用。所用的超短光纖布拉格光柵反射率極低、反射光譜寬，易于實(shí)現(xiàn)大容量傳感器組網(wǎng)，非常適用于分布式光纖傳感系統(tǒng)。

圖21 基于超短FBG 光柵陣列的分布式動(dòng)靜態(tài)解調(diào)系統(tǒng)Figure 21 Distributed dynamic and static demodulation system based on ultra-short FBG array

在靜態(tài)解調(diào)方面，系統(tǒng)利用基于線(xiàn)性濾波比例探測(cè)的雙波長(zhǎng)邊緣濾波技術(shù)，通過(guò)測(cè)量在FBG 反射光譜內(nèi)任意兩個(gè)探測(cè)波長(zhǎng)的反射光強(qiáng)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)FBG 波長(zhǎng)漂移量解調(diào)的技術(shù)；在動(dòng)態(tài)解調(diào)方面，系統(tǒng)所用的3×3 耦合器數(shù)字相位解調(diào)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)范圍大、解調(diào)速度快等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，3×3 耦合器相位解調(diào)還可以避免當(dāng)超短光纖光柵受到溫度或應(yīng)力時(shí)雙波長(zhǎng)反射光強(qiáng)波動(dòng)對(duì)解調(diào)相位的影響，因此綜合實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)-相位的同時(shí)獨(dú)立解調(diào)，效果圖如圖22 所示。

圖22 波長(zhǎng)-相位同時(shí)獨(dú)立解調(diào)效果示意圖Figure 22 Schematic diagram of the effect of simultaneous independent demodulation of wavelength and phase

4 FBG 陣列光纖的應(yīng)用研究

光纖光柵所具有的高靈敏度、抗電磁干擾、大復(fù)用能力等諸多優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于監(jiān)測(cè)各種惡劣環(huán)境中的溫度、應(yīng)變、振動(dòng)等物理量，隨著光纖光柵制備方法、傳感解調(diào)技術(shù)研究不斷改進(jìn)，制作工藝、復(fù)用容量、傳感器性能不斷提升，其可靠性已經(jīng)獲得了大大的提高。大規(guī)模光纖光柵分布式傳感器目前已廣泛應(yīng)用于公鐵隧道[118]、橋梁工程、石油、電力、航空航天等領(lǐng)域。

4.1 靜態(tài)分布式溫度解調(diào)檢測(cè)技術(shù)

光柵陣列傳感器作為溫度敏感元件，因具有電絕緣等特性特別適用于長(zhǎng)距離或需電絕緣場(chǎng)合的火災(zāi)報(bào)警、超多測(cè)點(diǎn)的溫度監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景，在石油石化、公鐵隧道、電力等行業(yè)具有重要推廣價(jià)值?；诠鈻抨嚵泄饫w的分布式傳感技術(shù)，可根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和場(chǎng)景，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)、密度與長(zhǎng)度定制分布式傳感陣列。

在石油化工領(lǐng)域，大型儲(chǔ)油罐作為國(guó)家重要經(jīng)濟(jì)發(fā)展的保障，對(duì)初期火源的監(jiān)測(cè)具有重要意義，因此要求分布式傳感系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、溫度檢測(cè)精度高等特性?；诖笠?guī)模光柵陣列光纖的分布式感溫原理通過(guò)實(shí)施探測(cè)油罐的分布式溫度場(chǎng)的變化[119]，通過(guò)溫度監(jiān)測(cè)及差溫、定溫報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行初期火災(zāi)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警，該系統(tǒng)已累計(jì)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)3 000 多個(gè)石化行業(yè)的大型石油儲(chǔ)罐。而在交通領(lǐng)域，長(zhǎng)線(xiàn)型公鐵路隧道對(duì)初期火源的報(bào)警同樣具有重要意義[120-121]，基于光柵陣列光纖的分布式火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)具有體積小、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)而在同類(lèi)型傳感器的競(jìng)爭(zhēng)中具有優(yōu)勢(shì)，已在終南山隧道、廈門(mén)翔安隧道、武漢長(zhǎng)江隧道、滬蓉西高速隧道群等多公鐵隧道展開(kāi)應(yīng)用，產(chǎn)品累計(jì)應(yīng)用里程已超9 000 km。同時(shí)，在大型空冷島溫度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，如圖23 所示，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了上萬(wàn)個(gè)測(cè)量點(diǎn)、高精度、數(shù)十公里的空冷島溫度分布式測(cè)量，解決了電力行業(yè)多年急需解決的難題，已在天富合盛、雙良節(jié)能等多個(gè)熱電廠(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用。

圖23 空冷島大容量分布式溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)Figure 23 Large-capacity distributed temperature field monitoring of air-cooled island

對(duì)于電纜廊道、電氣地下室、電纜溝和車(chē)間內(nèi)電纜橋架等建筑或區(qū)域內(nèi)電纜密集程度較高的應(yīng)用對(duì)象，中國(guó)在2014年制定的線(xiàn)型感溫火災(zāi)探測(cè)器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB16280-2014 中提出要求任何一段長(zhǎng)度為100 mm 的敏感部件能夠迅速監(jiān)測(cè)溫度變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小尺寸火源的預(yù)警。目前感溫電纜可有效感知此類(lèi)小火源，但傳感器總長(zhǎng)較短、無(wú)法定位火源，不能滿(mǎn)足長(zhǎng)距離、可定位的火災(zāi)探測(cè)需求。當(dāng)前主流的拉曼光纖測(cè)溫系統(tǒng)的空間分辨率約為1 m，針對(duì)小尺寸火源的探測(cè)存在平均效應(yīng)，響應(yīng)速度慢，甚至無(wú)法探測(cè)；而基于光纖光柵的分布式測(cè)溫系統(tǒng)傳感點(diǎn)數(shù)少、間距通常為3 m，也無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)小尺寸火源的快速感知。本課題組所提出的基于密集型光柵陣列光纖的分布式傳感系統(tǒng)[60]，結(jié)合了時(shí)分復(fù)用和光纖光柵傳感技術(shù)，將光柵陣列分為若干分區(qū)，將整個(gè)分區(qū)內(nèi)的所有光柵作為一個(gè)測(cè)量單元。在火災(zāi)安全監(jiān)測(cè)要求范圍內(nèi)，該系統(tǒng)通過(guò)犧牲定位精度大幅減少了測(cè)量單位，從而提高了感知密集度與響應(yīng)速度，最終在最長(zhǎng)10 km 的傳感距離上實(shí)現(xiàn)了100 mm 小火源的分布式探測(cè)，響應(yīng)速度為1 s，溫度分辨率為0.1?C。該技術(shù)已實(shí)際應(yīng)用于長(zhǎng)江三峽葛洲壩船閘電纜廊道，麻竹高速隧道群，中國(guó)石油化工股份有限公司武漢分公司儲(chǔ)油罐、港珠澳大橋等大型工程的火災(zāi)監(jiān)測(cè)。圖24 所示為長(zhǎng)江三峽葛洲壩船閘電纜廊道及港珠澳大橋火災(zāi)監(jiān)測(cè)的示意圖。

圖24 電纜廊道/橋隧火災(zāi)報(bào)警Figure 24 Cable corridor/bridge tunnel fire alarm

4.2 靜態(tài)分布式應(yīng)變解調(diào)檢測(cè)技術(shù)

基于大規(guī)模光柵陣列光纖的應(yīng)變分布式解調(diào)技術(shù)按照檢測(cè)距離和監(jiān)測(cè)密度來(lái)劃分主要有兩種。一種是采用OTDR 分布式傳感技術(shù)，主要應(yīng)用于長(zhǎng)距離（km 量級(jí)），且對(duì)密集度要求不高的領(lǐng)域，如公鐵大橋和鐵軌的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，其空間分辨率通常為m 量級(jí)。另一種是采用OFDR 分布式傳感技術(shù)，主要應(yīng)用在一些可能產(chǎn)生具有非均勻應(yīng)變場(chǎng)的檢測(cè)領(lǐng)域。由于空間分辨率的限制會(huì)導(dǎo)致傳感區(qū)域漏檢或光柵位置發(fā)生譜型啁啾，從而不能準(zhǔn)確還原應(yīng)變場(chǎng)的分布[122]。例如在航空航天飛行器、船舶、機(jī)械結(jié)構(gòu)等安全健康監(jiān)測(cè)方面具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值，雖然檢測(cè)范圍不大，通常在百m 量級(jí)，但空間分辨率要求mm 量級(jí)甚至亞mm 量級(jí)。

基于OTDR 技術(shù)的FBG 分布式應(yīng)變傳感器，在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，主要用于預(yù)應(yīng)力拉索力監(jiān)測(cè)、混凝土應(yīng)變與裂縫監(jiān)測(cè)、復(fù)合材料性能監(jiān)測(cè)等；在隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，主要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)力和應(yīng)變等指標(biāo)，評(píng)估巖體自變形及滲透、泥石流等各類(lèi)次生災(zāi)害造成的影響；在道路結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，主要用于路面結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測(cè)，該監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵是需要完成匹配路面瀝青材料的FBG 設(shè)計(jì)，以防止應(yīng)力應(yīng)變反復(fù)對(duì)FBG 穩(wěn)定性帶來(lái)的影響。

美國(guó)NASA 的Childers 和Froggatt 等[49]采用OFDR 解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了空間分辨率為4 mm、檢測(cè)長(zhǎng)度為8 m，單根光纖復(fù)用容量為800 個(gè)光柵的分布式應(yīng)變傳感檢測(cè)，并成功應(yīng)用于商用飛機(jī)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布式檢測(cè)，可節(jié)省大量的安裝時(shí)間與布線(xiàn)量。利用OFDR 具有極高的空間分辨率這一特性，日本東京大學(xué)的Wada 等[123-126]對(duì)基于單個(gè)光柵長(zhǎng)為10 cm的光柵串進(jìn)行了一系列的應(yīng)用研究，包括直升機(jī)葉片應(yīng)變檢測(cè)、機(jī)翼的應(yīng)變分布式檢測(cè)等，均取得了較好的效果。本課題組基于OFDR 檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)長(zhǎng)度為10 m，復(fù)用容量為上萬(wàn)個(gè)的超弱反射率光柵陣列光纖的超高空間分辨率（1 mm）的應(yīng)變分布式檢測(cè)，并通過(guò)檢測(cè)裂紋尖端的應(yīng)變分布實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋及裂紋擴(kuò)展的判斷與監(jiān)測(cè)[127]。

圖25 裂紋尖端應(yīng)變分布式監(jiān)測(cè)及定位Figure 25 Distributed monitoring and location of crack tip strain

4.3 動(dòng)態(tài)分布式相位解調(diào)

本課題組提出了一種基于大規(guī)模光柵陣列光纖的馬赫-曾德?tīng)柗植际轿⒄駝?dòng)傳感方法，利用每?jī)蓚€(gè)相鄰光柵形成干涉儀的傳感臂，以時(shí)分復(fù)用形式分別與參考臂發(fā)生干涉，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)型的高靈敏度分布式微振動(dòng)傳感，并采用雙波長(zhǎng)線(xiàn)性回歸解纏繞算法在拓展動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)保證系統(tǒng)的高靈敏度。同時(shí)，對(duì)光纖傳感單元進(jìn)行相位信號(hào)分析，對(duì)光柵單元進(jìn)行波長(zhǎng)信號(hào)分析，構(gòu)建溫度、應(yīng)變、微振動(dòng)的長(zhǎng)距離、多參量、高精度傳感網(wǎng)絡(luò)，并應(yīng)用于各種大型工程應(yīng)用健康安全、外界入侵、海洋水聽(tīng)探測(cè)、石油勘探等領(lǐng)域[128-129]，取得了較好的效果。

4.3.1 地鐵隧道全時(shí)全域安全監(jiān)測(cè)

地鐵隧道服役于復(fù)雜多變的地下環(huán)境中，隧道結(jié)構(gòu)不但要承受周?chē)牡貙訅毫?、相鄰施工擾動(dòng)、軌道交通動(dòng)載等各種作用，而且會(huì)與巖土介質(zhì)、空氣中的各種侵蝕性離子和地下水等發(fā)生作用，隧道結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)出現(xiàn)病害，使得安全服役面臨挑戰(zhàn)。為了能及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)、穩(wěn)定程度和變形進(jìn)行分析，并長(zhǎng)期安全地保存監(jiān)測(cè)信息以實(shí)現(xiàn)地鐵隧道的信息化管理，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)難以滿(mǎn)足覆蓋隧道全線(xiàn)開(kāi)展時(shí)空密集地連續(xù)監(jiān)測(cè)，不足以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)全線(xiàn)的狀態(tài)評(píng)估，而雖然常規(guī)移動(dòng)隧道檢測(cè)車(chē)能夠?qū)^大區(qū)間范圍實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，但其由于速度受限僅能在地鐵停運(yùn)后的凌晨“天窗”期工作，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)跟蹤。因此，亟需探索一種滿(mǎn)足地鐵隧道全時(shí)全域監(jiān)測(cè)需求的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)方法。

本課題組基于光柵陣列光纖的分布式傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種全時(shí)全域的地鐵隧道安全監(jiān)測(cè)方法，包括火災(zāi)報(bào)警監(jiān)測(cè)、列車(chē)安全運(yùn)行、非法入侵識(shí)別、軌道及隧洞健康安全監(jiān)測(cè)等功能[130]。除了以上介紹的溫度場(chǎng)火災(zāi)監(jiān)測(cè)以及應(yīng)變場(chǎng)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，還設(shè)計(jì)了基于光柵陣列光纖分布式振動(dòng)監(jiān)測(cè)的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別將光柵陣列布設(shè)于地鐵道床與隧道洞壁上，通過(guò)獲取并分析列車(chē)行駛過(guò)程中的振動(dòng)信號(hào)，可判別出列車(chē)車(chē)廂位置、速度、長(zhǎng)度及數(shù)量等信息。模擬挖掘機(jī)開(kāi)挖工程場(chǎng)景[131]，通過(guò)檢測(cè)相位均方根的變化判別開(kāi)挖點(diǎn)的位置。對(duì)算法進(jìn)行了優(yōu)化，從多尺度分析角度判斷入侵事件，平均識(shí)別率達(dá)96.57%[130]。根據(jù)后續(xù)數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建，可通過(guò)大數(shù)據(jù)分析對(duì)于軌道、列車(chē)、隧洞等結(jié)構(gòu)健康進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該產(chǎn)品目前已應(yīng)用于武漢市地鐵7 號(hào)線(xiàn)與8 號(hào)線(xiàn)的地鐵健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，并且運(yùn)行良好。

圖26 地鐵隧道振動(dòng)信號(hào)識(shí)別示意圖Figure 26 Schematic diagram of subway tunnel vibration signal recognition

4.3.2 基于光柵陣列增強(qiáng)型光纖水聽(tīng)器

將光柵陣列用非平衡干涉儀連接組成干涉陣列，雖然光路結(jié)構(gòu)上與FBG-FP 類(lèi)似，但由于光柵各基元反射率極低，光信號(hào)在經(jīng)過(guò)高階反射后由于能量太弱而可以忽略，此時(shí)由弱反射光柵陣列構(gòu)成的干涉?zhèn)鞲衅骶徒M成了斐索干涉型傳感陣列。2015年，山東科學(xué)院王昌等[94]利用500 基元全同超弱反射光柵進(jìn)行了水聲信號(hào)解調(diào)實(shí)驗(yàn)，利用該系統(tǒng)最低可檢測(cè)0.122 Pa的水下聲壓信號(hào)，同時(shí)針對(duì)450～600 Hz 水下聲波進(jìn)行校準(zhǔn)，得到了?158 dB 的聲壓靈敏度校準(zhǔn)結(jié)果。2016年，尚盈等[132]利用超低反射率的光柵陣列與邁克爾遜干涉儀構(gòu)成斐索干涉相干檢測(cè)系統(tǒng)，斐索腔長(zhǎng)為2 m，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得200～1 500 Hz 頻帶內(nèi)輸出頻率響應(yīng)平坦度低于1.4 dB，證明了斐索干涉?zhèn)鞲嘘嚵械牧己靡恢滦浴?/p>

2017年，周次明教授團(tuán)隊(duì)[133]利用反射率為?40 dB 的超弱反射光柵陣列組成499 基元斐索干涉型聲波傳感器，利用其中6 個(gè)傳感器對(duì)空氣中的聲波相位及聲壓進(jìn)行信號(hào)解調(diào)與檢測(cè)，在0.5～100.0 Hz 頻帶內(nèi)得到的最小可測(cè)空氣中聲壓為0.024 rad/Pa。2018年，周次明教授團(tuán)隊(duì)[134]基于弱反射光柵陣列利用反射率為?50～?40 dB 的超弱反射光柵陣列進(jìn)行腔長(zhǎng)為50 m 的水聲探測(cè)，最小可測(cè)聲壓為證明了長(zhǎng)腔型斐索傳感器相干檢測(cè)系統(tǒng)的高靈敏度特性。2020年，該團(tuán)隊(duì)對(duì)該種長(zhǎng)腔型的傳感器聲壓靈敏度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了進(jìn)一步深入研究，提出了一種更為精細(xì)可靠的振動(dòng)液柱法實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)方法，定量分析了深度、姿態(tài)以及固定裝置等因素對(duì)長(zhǎng)腔型光纖水聽(tīng)器的靈敏度校準(zhǔn)影響。斐索干涉型光纖傳感器不僅保留了FBG-FP 型光纖水聽(tīng)器高靈敏度、易于復(fù)用等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)弱反射光柵還能克服時(shí)分復(fù)用串?dāng)_問(wèn)題，因此斐索干涉型光纖傳感器在未來(lái)實(shí)際應(yīng)用中具有巨大前景。

4.3.3 增強(qiáng)型光柵陣列光纖地震波檢測(cè)

在油氣勘探領(lǐng)域，常規(guī)石油氣天然氣資源增儲(chǔ)增產(chǎn)難度越來(lái)越大，頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣資源勘探的戰(zhàn)略地位日趨重要，利用地震波檢測(cè)技術(shù)對(duì)人工震源或天然震源產(chǎn)生的地震波信號(hào)處理與反演是目前油氣勘探的重要手段。分布式光纖聲波檢測(cè)技術(shù)是目前油氣勘探領(lǐng)域應(yīng)用最廣的光纖傳感技術(shù)，而基于光柵陣列光纖的分布式傳感技術(shù)，因具有高信噪比、物理定位屬性、高精度制備工藝使其傳感系統(tǒng)具有更高靈敏度、高定位精度，并能構(gòu)建大容量高精度的地震波檢測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)而非常適用于油氣勘探領(lǐng)域。

隨著光柵陣列光纖在線(xiàn)制備的工程化應(yīng)用與推廣，本課題組合作單位山東科學(xué)院王昌教授團(tuán)隊(duì)的王晨博士[94]提出了一種基于增強(qiáng)型光柵陣列光纖與Φ-OTDR 傳感系統(tǒng)的分布式振動(dòng)傳感方法，由于其傳感器具有更高的反射強(qiáng)度故信號(hào)具有更高的信噪比，使該系統(tǒng)非常適用于地震波的分布式檢測(cè)?；谝陨戏桨福綎|科學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)[132]與本課題組[135-136]對(duì)該系統(tǒng)又進(jìn)行了大量工作，實(shí)現(xiàn)了高性能的分布式振動(dòng)傳感，在傳感器方面，制備了可適用于振動(dòng)分布式傳感的寬譜（譜寬在3 nm）光柵陣列光纖，同時(shí)還制備了可用于溫度振動(dòng)同時(shí)檢測(cè)的寬譜/窄帶光柵交替的光柵陣列光纖[137]，使其更適用于實(shí)際勘探工程應(yīng)用。另外，基于邁克爾遜干涉儀與3×3 耦合器的相位解調(diào)系統(tǒng)的性能優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)的SNR 高于59.2 dB@100 Hz，同時(shí)具有從10.0 Hz 到4.5 kHz 的寬頻響帶寬。該增強(qiáng)型分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)與封裝后的光纜目前已在勝利油田中進(jìn)行了井中VSP 實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能順利獲取到直達(dá)波、下行波和反射的上行波，為該系統(tǒng)在石油勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。后續(xù)還將對(duì)光纖三分量地震波傳感器、高精度成像與反演算法等基礎(chǔ)方法及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并展開(kāi)油氣開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)及周邊區(qū)域野外的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，以期更好將該技術(shù)應(yīng)用于油氣勘探領(lǐng)域。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文系統(tǒng)地概述了基于大規(guī)模光柵陣列的光纖分布式傳感器的近幾年的發(fā)展與現(xiàn)狀，包括光柵陣列光纖的在線(xiàn)制備方法與工藝，分布式傳感原理、特性及其性能，以及基于大規(guī)模光柵陣列光纖的應(yīng)用，特別是系列地闡述了本課題組最近基于該技術(shù)的研究。隨著該技術(shù)的發(fā)展與推廣，其分布式傳感性能預(yù)計(jì)將得到極大的提高，并將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化且廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程應(yīng)用，將在民用大型建筑、航空航天、油氣開(kāi)采等領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用，以期更好地服務(wù)于社會(huì)。