基于连续反转剥层方法的集成式光纤光栅时分/波分混合复用阵列时域重构技术研究

The large scale fiber grating array sensing system has found lots of applications in fields distributed in underwater, land ,sky and space, which is often configured using TDM/WDM multiplexing scheme. The integrated fabrication method without any fiber splicing points thus plays important roles to providing the largest system reliability and it is idealy that the fiber is just the gratings. However, in such fiber grating array, the measurement of each grating without bringing any damage and splicing points becomes impossible. We presented a proposal to synthesis the fiber grating array in time domain, which can obtain the reflections of each grating without bringing any damage, at the same time, the multi-reflections induced signal crosstalk can also be suppressed. The research results will provide a solution for measurement of the integrated fiber grating array and a new signal processing method to suppressing the array signal crosstalk.

大规模的时分/波分密集混合复用光纤光栅传感阵列在海、陆、空、天各领域都有着重要的应用。为保证系统探测性能和可靠性，近年来在一根光纤上集成成百上千个密集光纤光栅的阵列制作方式成为关键技术，并由此提出“光纤即光栅”的概念。这种无熔接点的串联方式导致对每个光栅基元的无损伤在线测量成为难题。本项目对光纤光栅传感阵列的时域特性展开研究，深入分析阵列时域重构的物理机理、实现算法和实验评估技术，从而无损伤性获取阵列中每个光栅基元的反射谱信息，并同步抑制光栅基元之间的相互串扰。项目研究将为集成式光纤光栅传感阵列的制作、测试和应用提供核心技术支撑，同时为光纤光栅阵列传感系统提供一种新型抗串扰信号处理方法。

项目针对集成化光纤光栅时分波分复用阵列的时域特性进行分析，解决了无损伤方式在线监测光栅放射特性及低串扰相位信息提取两个难题。项目首先提出一种新型无损伤性的光纤光栅阵列在线制作和检测技术，利用相位掩膜板和预应力二次波长匹配法，实现了光纤光栅串的在线式无损刻写；其次研究了时分和波分复用光纤光栅阵列干涉谱时域重构技术，对于低反射率光纤光栅时分波分结构获得了较好的时域重构结果，初步具备通过测量反射谱推断光栅阵列折射率调制空间结构的能力；研究了光纤光栅时分波分复用阵列低串扰干涉信号提取技术，基于超低反射率光栅获得了串扰在-40dB以下的8重时分阵列结构，为同类型系统中时分复用容量最大。基于高反射光栅的串扰重构方案获得了稳定的近50dB的时分复用串扰，在目前报导的高反光栅中串扰最低。实验制作了2W×4T演示系统和2W×8T单波长演示系统。8T时分复用结构为目前报导的时分复用容量最大、传感光纤长度最长，并且系统获得良好的低频噪声指标，低频噪声拐点达到100Hz以下，最低为35Hz。项目相关研究成果为光纤光栅水听器阵列、光纤光栅复合参量传感阵列等应用于恶劣环境的光纤传感系统提供了关键技术支撑，最大程度地提高了系统可靠性，并可扩展应用于其它大规模多基元的光纤传感系统中，为光纤系统时域分析技术提供技术参考。