基于色散效应的大规模全同光栅传感网络高速解调新方法的研究

Fiber Bragg Grating(FBG) sensing is a research focus in fiber optic sensing field, and identical FBG has drawn wide attention and rapid development due to its high multiplexing and high precision. However, the location information and sensing information of FBGs is processed separately in conventional demodulation technique of identical FBG sensing network, determining the location information according to the temporal signal, accessing to sensing information through the wavelength demodulation, which leads to large amount of information, complex demodulation and long response time.With the aim to solve key problem, this proposal proposes a new method for studying high-speed demodulation of large scale identical FBG sensing network. The wavelength of each FBG can be mapped to a temporal waveform by the dispersion effect, and convert location information into temporal signal by using OTDR. This method is obtained position and sensing information of FBG with only time parameter, thereby to reduce the complexity of the demodulation and significantly to improve the speed of the demodulation. This proposal concentrates on mechanism of identical FBG demodulation based on dispersion effect, and to establish the theory and method of delay information of optical pulse, as well as construct identical high-speed demodulation system of FBG network. With this project, it will provide new ideas and methods for demodulation of fiber grating sensing network with large scale, and therefore to breakthrough the problem of low demodulation rate.

光纤光栅传感是光纤传感领域的研究热点之一，大规模全同光栅以其高复用、高精度的优势得到了国内外广泛的关注和快速的发展，但现有全同光栅传感网络的解调技术通常是将位置信息和传感信息分开处理，根据时间信号判断位置信息，通过波长解调获取传感信息，导致信息量大、解调复杂、响应时间长。针对这一关键技术难题，本项目提出基于色散效应的大规模全同光栅传感网络高速解调的新方法，利用色散效应将传感的波长信息转换成时间信号，结合光时域反射技术将位置信息也转换为时间信号，仅需一个时间参量、一个光脉冲周期就能同时获取全部光栅的位置信息和传感信息，从而降低解调复杂程度，大大提高解调速度。本项目将研究基于色散效应的全同弱光栅解调机理与技术，建立光脉冲序列的皮秒级延时信息提取理论与方法，构建大规模全同光栅传感网络高速解调系统，以期突破现有全同光栅传感网络解调速率低的难题，为大规模光纤光栅传感网络提供新的解调思路与方法。

大规模全同光栅系统的解调通常是将位置信息和传感信息分开处理，根据时间信号判断位置信息，通过波长解调获取传感信息，导致信息量大、解调复杂、响应时间长。针对这一技术难题，本项目开展了基于色散效应的大规模全同光栅传感网络的高速解调新方法与新技术的研究，仅需一个时间参量、一个光脉冲周期就能同时获取全部光栅的位置信息和传感信息，从而降低解调复杂程度，大大提高解调速度。通过研究，项目提出了随机参量刻写弱反射光栅阵列，以削弱光栅间串扰和光谱阴影效应，大大提升了全同光栅的复用容量。提出了基于FDML激光器的光栅高速解调方法，利用光延时特性，搭建了基于DFB激光器和FDML激光器的全同弱光栅高速解调系统，实现了35个传感器复用的光栅传感网络的120kHz解调。建立了脉冲光光谱的波长-时间转换的数学模型，构建了基于色散效应的大规模全同光栅传感网络高速解调系统，结合微波光子技术，提出并搭建了基于微波光子及色散的全同超弱光栅传感网络的高速解调系统，实现了低采样率条件下的光脉冲序列皮秒级延时信息提取，设计了DCF与SMF双通道再结合标准具进行扰动补偿，并对色散非线性效应矫正建模，有效提高了系统的可靠性和准确性。实验结果表明，该系统实现了解调频率10kHz、波长分辨率5.3pm、空间分辨率3m、复用能力1200个传感器网络的高速解调。进一步地，利用色散效应的超高速波长域-时域映射，实现时域-光谱域还原，搭建了基于色散效应的F-P传感器的超高速解调，并研究了不同复用方式下级联式F-P传感器位置和光谱信息还原。项目研究共发表SCI论文17篇，获授权发明专利10项，其中2项专利获得技术转让费近200万元。培养博士研究生1名，硕士研究生8名。获中国建筑材料联合会与中国硅酸盐学会（省部级）科技发明一等奖1项。