基于大规模光栅阵列光纤的分布式传感技术及应用综述

桂 鑫，李政颖，王洪海，王立新，郭会勇

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.武汉理工大学宽带无线通信与传感器网络湖北省重点实验室，湖北武汉430070

分布式光纤传感技术因其具有高灵敏度、抗电磁干扰、体积小以及易复用等优点而被国内外研究人员广泛关注，它通过获取光纤中光传输信号的变化（例如强度、相位、波长和偏振等）来进行温度、应变、振动等多种物理量的分布式检测，其研究成果已在大型建筑[1-2]、机械[3-4]、航空航天[5-6]、石油化工[7-8]等诸多领域的安全监测[9]和故障诊断[4]方面得到广泛的应用。基于拉曼散射、布里渊散射以及瑞利散射等光纤固有散射的分布式光纤传感技术[10-13]，与基于光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating, FBG）的准分布式光纤传感技术[14-16]是目前最为常用的两类分布式光纤传感技术。前者主要利用光纤中的后向散射信号进行传感，其突出优势在于探测距离长，已应用于多种应用场景的温度及振动检测中，例如工业过程控制、井下石油及天然气勘探、高速铁路运行安全等[12,17-18]。值得注意的是，由于光纤中散射系数较低，系统的信噪比通常不高，进而影响到分布式传感系统的空间分辨率及检测灵敏度。为解决此问题，研究人员通常采用多次平均的算法或人为增加散射系数的方法。数千次的平均[19]可以改善信噪比，但会造成系统响应时间的增加。而通过紫外线曝光[20]或飞秒激光加工[21-23]等方法来改善后向散射强度可有效提高信噪比，但其工艺上的均匀性与时效性是需要解决的问题。

与基于后向散射的光纤分布式光纤传感方法相比，基于FBG 的准分布式光纤传感技术具有的高信噪比与物理定位特性，能实现更高精度的分布式检测与定位，其高灵敏度、高复用能力成为准分布式传感检测的研究热点，但其探测距离与系统复用容量受限于传统制作工艺以及解调方法。为解决传统多点FBG 制备工艺中的熔接损耗及机械强度不高的难题，本课题组研制了一种基于光纤拉丝塔的光栅阵列光纤在线制备工艺[24]，实现了数十万个弱反射率光纤光栅的无熔接点、高机械强度的光栅阵列光纤的在线制备，打破传统制备工艺瓶颈，极大地促进了基于光纤光栅的温度、应变及振动的分布式传感技术的发展。利用FBG 布拉格波长随温度与应变变化的特点，采用时分复用、波分复用、空分复用等复用技术可以构建大规模温度/应变传感网络[25-27]。另外，通过检测相邻FBG 间的微振带来的光波相位变化，采用相敏光时域反射技术可以构建大规模分布式振动传感网络[28]。基于FBG 阵列光纤的准分布式传感在近几年得到了快速发展，并在大型基建工程、铁路隧道、石油石化等领域得到了实际应用推广[29]。

在这篇综述中，我们回顾了基于光栅阵列光纤的准分布式传感领域的一些最新研究进展，包括光栅阵列光纤的制备、分布式传感原理、动静态解调方法及部分应用。本文安排如下：第1 节，介绍了大规模光栅阵列光纤制备技术与工艺的进展；第2 节，介绍了基于大规模光栅阵列光纤复用容量的影响因素、抑制方法与提升方法；第3 节，介绍了基于大规模光栅阵列光纤的分布式传感解调技术，包括准静态的波长解调、高速波长解调，以及增强型声波相位解调等；第4 节，介绍了基于光栅阵列光纤的重要应用进展以及工程应用中的结构典型应用案例，包括静态波长解调的温度、应变分布式传感及动态相位解调的声波分布式传感应用。

1 大规模光栅阵列光纤在线制备技术

在传统光栅阵列制作过程中，对光纤进行的预处理会降低传感光纤的机械强度并增加光纤的熔接损耗[30]。为解决此问题，提出了一种光纤拉丝塔制备光栅阵列光纤的方法，在制备光纤的同时写入光栅，在未进行光纤涂覆之前通过单脉冲激光曝光写入光纤布拉格光栅[31-34]，从而确保光纤结构的完整性，避免了光纤预处理及多个光栅熔接带来的机械强度下降以及光强损耗。自2005年起，国外基于光纤拉丝塔制备的光栅阵列光纤的研究较多，主要集中在德国FBGs 传感器公司、德国光电子技术研究所和澳大利亚悉尼大学。2005年，德国光电子技术研究所Chojetzki 等[35]实现了高反射率FBG 的制备，完成了单脉冲反射率达到40% 的I 型光栅的制备。2010年，德国光电子技术研究所Rothhardet 等[36]对FBG 接入数量的提高进行了研究，用拉丝塔在线制备技术实现了1 000 个1 550 nm 附近不同波长、反射率约为30% 的FBG 无熔接点制备，但上述两种制备工艺均采用塔尔博塔（Talbot）干涉法写入光栅；由于Talbot 干涉仪的光路较长易受到周围环境的影响，在没有在线监测手段的情况下，光栅的制备质量难以得到保障。2012年，德国FBGs 传感器公司Johnson[37]对在线制备光栅阵列光纤进行了综合研究并得出结论，基于光纤拉丝塔制备的光栅阵列光纤保留了标准通信光纤的机械强度。基于相位掩膜版的FBG 写入方法常常具有更高的稳定性，如图1所示，它是一种改进型的基于光纤拉丝塔的光栅阵列光纤在线制备系统。本课题组应用工业级光纤拉丝设备，在稳定高度可控的条件下，采用掩膜版FBG 写入法实现了大规模弱反射率光栅阵列光纤的制备，并取得了一定的成果[24,38-39]。除了拉丝塔在线制备光栅阵列光纤外，近年来，也有基于飞秒激光刻写的FBG 制备方法的报道[40]，可以在任意类型的光纤上刻写FBG，具有较高的灵活性，然而此类FBG 主要针对于极端环境下的参量感知，如高温下的传感具有十分优异的性能[41]，但受加工方式的限制，分布式传感的大规模工程应用尚未见报道。

图1 基于光纤拉丝塔的光栅阵列光纤在线制备系统Figure 1 Grating array fiber online preparation system based on fiber drawing tower

基于工业级光纤拉丝设备的在线光栅阵列光纤制备系统主要功能包括三部分：光纤拉制系统、FBG 写入系统以及阵列光纤收集系统。光纤拉制系统可控制光纤拉丝塔的光纤拉制速度以及牵引张力，FBG 写入系统采用相位掩膜版刻写方法，激光器采用脉冲宽度为10 ns，最大脉冲能量为40 mJ，光束的尺寸为4 mm×12 mm 的ArF 准分子激光器（OptoSystems CL5300）。为了实现制备更高质量的光栅阵列光纤，首先，针对传输损耗中的单脉冲激光光敏性的机理进行了研究，揭示了控制光纤的内部张力是影响低损耗光纤成栅的主要因素，解决了单脉冲FBG 写入法要求低传输损耗光纤具有良好的光敏性的问题[42]。其次，通过研究制备系统的热稳定性对光栅阵列光纤可靠性的影响，在证明制备系统的可靠性的同时，解决了光栅阵列光纤在老化过程中衰减较大的问题[43]。另外，通过监控并调节每个激光光斑的能量分布，提高激光脉冲一致性，解决由强度随机不均匀性带来光谱畸变而引起的解调精度下降的问题[44]。基于该制备系统实现了在线制备大规模弱反射率光栅阵列光纤，该阵列光纤保留了标准通信光纤的机械强度，且其阵列光纤的光栅长度、间隔、反射率等关键指标均可精确控制与调整，可实现基于各种实际工程应用的定制化生产。

2 FBG 阵列复用容量提升方法

尽管光栅阵列光纤在线制备技术突破了传统制备工艺中复用容量以及机械强度的限制，为实现更大的测量范围以及更高的精度，需要长度更长以及复用容量更大的传感器网络。目前采用波分复用[45-46]、时分复用[47-48]、频分复用[49-50]等技术组建的FBG 传感网络应用最为广泛[51]。对于由FBG 组成的典型分布式传感器网络，复用能力主要受到光栅间的光谱阴影和多重反射串扰[52]，传统方法采用降低光栅反射率抑制串扰的方法[25]，然而一味降低光栅反射率会导致传感信号信噪比降低，进而导致对于光电探测器的灵敏度要求更高，在国内外的报道中，采用−40 dB 弱反射率的光栅使阵列的复用容量能到1 000 个[53]。另外，采用多个掩膜版切换制备具有多波长的光栅阵列可提高复用容量，目前已报道的最大复用容量为单根2 000 个[47]，不能满足目前应用对光栅阵列大容量的需求。

基于上述研究现状，本课题组提出一种具有随机分布特征参量的大规模光纤光栅阵列，阵列的FBG 中心波长和相邻FBG 的间隔在一定范围内随机，并同时实验证明了该方法可有效抑制光栅串扰效应并提高阵列的复用容量[54]。本课题组分析了基于光学频域反射技术（optical frequency domain reflectometry, OFDR）对多重反射效应与光谱阴影效应的产生机制。相较于基于光时域反射技术（optical time domain reflection, OTDR），采用连续光的OFDR 技术所产生的多重反射效果影响更大，所以该分析也同样适用于OTDR 技术。传感信号的信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）是分布式传感系统中的关键参数，关系到解调系统的感测范围与空间分辨率[55]。

对于多重反射于SNR 的影响，通过建立相关理论模型并进行仿真，SNR 与光栅间距变化的关系如图2 所示。光栅长度为1 mm、间距为1 mm、反射率为−45 dB 的等间距光栅阵列U-FBG 阵列，相比于光栅间距随机但平均光栅间距为1 mm 的RVCP-FBG 阵列的传感信号，SNR 均随着光栅数量的增加而降低。但后者显示出SNR 质量的恶化趋势更慢，这意味着RVCP-FBG 阵列具有更高的复用容量。同时发现间隔随机更大、且当间距大于3 倍的光栅长度时具有更好的SNR，也意味着其抑制三重反射效应的能力更好，即更大的系统复用容量。

图2 不同光栅间距时信噪比与光纤布拉格光栅数量的关系Figure 2 Relationship between SNR and the FBG number at different grating spacing

光谱阴影效应会导致光栅谱型在阵列后端光栅反射谱信号发生凹陷，从而影响解调准确性。在系统中，由特定SNR 所要求的最小光功率可判断整个光栅分布式传感系统的复用容量。故在建立相关理论模型后，对不同参数的弱反射率光纤光栅阵列与末端光栅的光功率进行仿真，其结果如图3 所示。对FBG 数量为5 000，光栅长度分别为10 mm 和1 mm 的系列光纤光栅阵列进行仿真，绘制了最后一个光栅的光谱强度，可以得到结论：当光纤光栅阵列的中心波长具有一定范围的随机性时，相比中心波长一致的光纤光栅阵列，其反射光强更高，且随机变化越大其峰值越尖锐，这意味着能够更有效地抑制光谱阴影并能使系统的复用容量更大。但是由于制备工艺对于中心波长的随机范围改变有限，通常只能在最大中心波长为±0.25 nm 范围内进行随机。

图3 利用随机中心波长抑制光谱阴影效应仿真结果图Figure 3 Simulation result of the random center wavelength suppressing the spectral shadow effect

根据上述理论分析，基于光纤光栅在线制备系统以及理论仿真结果，制备了4 种反射率为−45 dB、栅长为1 mm 的FBG 阵列，包括3 种随机参数的光栅阵列（RVCP-FBG）与1 种全同参数的光栅阵列（U-FBG），U-FBG 阵列由5 000 个FBG 组成，另外3 种RVCP-FBG 阵列的中心波长随机约为±0.25 nm，FBG 的数量分别为8 000、8 000 及10 000，平均光栅间距根据设定分别为0.4 mm、1.2 mm、1.5 mm，间隔分别对应于小于栅长、小于3 倍栅长、大于3倍栅长的情况。采用OFDR 解调系统对FBG 阵列进行解调，结果如图4 所示。RVCP-FBG阵列相比U-FBG 阵列具有更好的SNR，其中U-FBG 的传感信号已不能正确识别单个FBG的位置，因而不能进行中心波长的解调。RVCP-FBG 阵列中，当间隔大于3 倍光栅长度时，其SNR 最佳即其抑制多重串扰效应的效果最佳。同时，通过在一定范围内的中心波长随机，可较好地抑制多重反射效应，提高解调精度。实验结果证实了理论分析与仿真的有效性，证明复用容量为10 000 个的大规模光栅阵列高性能制备与解调的可行性。

图4 4 种不同随机参数的FBG 阵列的频域解调结果图。(a) U-FBG array (b) 在(14.000∼14.010 m)范围的放大；(c) RVCP-FBG Array 1；(d) 在(12.25 ∼12.26 m) 范围的放大；(e) RVCP-FBG Array 2；(f) 在(17.00∼17.01 m) 范围的放大；(g) RVCP-FBG Array 3；(h) 在(23.02∼23.03 m)范围的放大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 动静态解调方法研究

外界物理量变化会引起光纤光栅的栅距和纤芯有效折射率发生变化，从而导致光纤光栅的中心波长会发生相应的漂移，通过光纤光栅的解调技术可得到光纤光栅的中心波长漂移量，从而转换为被测物理量的变化测量。为满足大范围长距离的检测需求，基于光纤光栅的分布式传感系统利用时分复用、波分复用和空分复用来进行组网，而基于大规模的光栅阵列光纤通常采用时分复用以及波分/时分混合复用技术来构建大规模传感网络。针对FBG 阵列的波长解调技术也不断向着高速、高精度、高空间分辨率等方向改进和性能提升，以适应一些特殊的特征参量测量领域。另外，光纤相位调制型传感则是一种基于光纤干涉现象的高速分布式传感技术，外界物理量作用于传感光纤时，光纤轴向长度或折射率发生改变，光的相位信息也会随之变化。通过检测光相位的变化情况，可以实现nm 量级的光纤长度变化探测，灵敏度远高于波长调制型传感技术。目前常见的光纤相位调制型传感技术主要基于光纤双光束干涉（萨格纳克干涉，迈克尔逊干涉和马赫-曾德尔干涉）和相位敏感型光时域反射技术（phase sensitive optical time domain reflectometer, Φ-OTDR）。本节就基于大规模光栅阵列光纤的分布式解调方法进行论述，并着重介绍本课题组在动静态波长调制型传感方法及动态增强型相位传感方法的相关工作及研究进展。

3.1 准静态FBG 阵列传感技术

准静态FBG 阵列传感技术主要是通过检测FBG 反射光谱中心波长的变化来感知外界环境温度、应变等物理量的变化[56]，主要分为OTDR 和OFDR 技术。

3.1.1 光时域反射技术

基于OTDR 技术的光栅阵列传感技术是根据不同位置光栅反射光的延时量不同将串联的光栅阵列在时域上分离，然后根据不同波长的脉冲光反射回来的光脉冲强度拼接还原出整个光栅的光谱，从而实现传感信息的定位和解调，系统原理图如图5 所示，该方法是目前FBG 阵列传感技术广泛采用的一种方法[57]。

图5 光时域反射原理图Figure 5 OTDR principal schematic diagram

由于受到脉冲宽度的限制，基于OTDR 技术的光栅阵列解调系统空间分辨率难以有效提高。而利用高耦合效率的长光栅为提高OTDR 传感系统的空间分辨率提供了新的研究方向。2013年，西班牙瓦伦西亚大学Sancho 等[58]利用OTDR 解调技术在10 cm 长的FBG上进行了点热源实验，空间分辨率达2 mm。2016年，该课题组Ricchiuti 等[59]利用80 ps 的光脉冲寻址方法，解调了500 个长度为9 mm 的FBG 构成的5 m 长全同弱光栅阵列，空间分辨率达1 cm。但这种方法除了无法达到长距离的解调外，对数据采集的效率有很高的要求，系统成本高难以应用于实际工程。

2020年，本课题组提出了一种基于超弱光纤光栅阵列和OTDR 的分布式热点探测方法，系统原理如图6 所示[60]。与传统基于光纤光栅的传感不同，该系统利用每个光纤段的整体反射谱进行热点探测，对光纤段中的任何超弱光纤光栅加热都会导致其整体光谱的改变，采用该方式可以有效提高传感系统的空间分辨率。实验结果表明，利用10 ns 脉冲宽度可以在2 km 范围内以10 cm 的感知分辨率和1 m 的定位分辨率成功探测到预期的热点。该方法的测温精度可达1◦C，测量时间可达1.5 s，对某些油气管道监测应用中厘米级火源的预警具有重要意义。

图6 基于密集超弱FBG 阵列的解调系统原理图Figure 6 Schematic diagram of demodulation system based on dense ultra-weak FBG array

3.1.2 光频域反射技术

光频域反射技术最早起源于1981年，由德国汉堡-哈尔堡工业大学Eickhoff等提出[61]，具有高灵敏度和高空间分辨率等优势，是近年来分布式光纤传感领域的研究热点[62]。光频域反射技术按照光源调制方法主要分为相干光频域反射技术（coherent optical frequency domain reflection, C-OFDR）和非相干光频域反射技术（incoherent optical frequency domain reflection, I-OFDR）。

3.1.2.1 相干光频域反射技术

相干光频域反射技术是基于光外差探测方式实现的，系统原理如图7 所示。可调谐激光器输出光频线性调谐的窄带光，通过光耦合器1 分为本振光和传感光，传感光经由光环形器输入到光栅阵列光纤中，传感光纤中的光纤光栅反射特定波长的反射光再通过环形器输入至光耦合器2 中，与本振光发生拍频产生干涉信号，拍频频率由本振光和反射光信号频率差决定。由于可调谐激光器线性调谐特性，不同光栅位置反射回来传感信号与本振光产生不同的拍频信号。因此可以通过傅里叶变换区分各个光栅的拍频信号，同时对拍频信号的幅度、相位等特征提取光栅的反射光谱。

图7 基于C-OFDR 的光纤光栅解调系统原理图Figure 7 C-OFDR principal schematic diagram

2015年，课题组采用超弱光纤光栅阵列结合C-OFDR 技术，实现了大容量、高空间分辨率的准分布式光纤光栅传感网络的解调[63]，系统原理如图8 所示。通过对拍频信号的分离优化和非线性校正，解决了可调谐激光器的非线性扫频问题。利用拍频信号的频谱信息，实现了高空间分辨率的光纤光栅位置信息的提取，并进行各个光栅拍频信号时域上的分离，再结合希尔伯特变换还原光栅的反射光谱信息，实现光栅的波长解调。实现了单根光纤上200 个间隔为20 mm、中心波长为1 552.8 nm、反射率仅为0.1%的全同超弱反射光纤光栅的解调。

图8 基于OFDR 的超弱反射光纤布拉格光栅阵列传感系统原理图Figure 8 Schematic diagram of ultra-weak reflection FBG array sensing system based on OFDR

为降低可调谐激光器非线性调谐效应，实现高精度FBG 阵列解调，课题组还提出了一种可调谐激光器的高精度校准方法，该方法不仅可以补偿非线性效应，还可以校准激光器的瞬时输出波长和扫描速率[64]，其原理如图9 所示。通过引入梳状滤波器确定可调谐激光器的扫描速率和瞬时输出波长，从而提高传感系统解调精度。由于梳状滤波器的频率选择性，可以通过其透射峰获得多个时频参考点，采用线性拟合的方式可产生可调激光器的校准扫描曲线，实现可调谐激光器输出波长的高精度校准。

图9 高精度FBG 解调系统原理图Figure 9 Schematic diagram of high-precision FBG demodulation system

通过稳定性实验和应变传感实验验证了该方法的校准精度。实验结果表明，使用该方法校准的可调谐激光器，FBG 解调的稳定性和波长分辨率分别可达0.088 pm 和0.030 pm。比较有无梳状滤波器的解调精度结果表明，引入梳状滤波器可使波长解调精度提高15 倍。2017年，本课题组研制了一种大容量密集超短光栅阵列，阵列中各个超短光栅长度为1.0 mm，间隔为0.5 mm，结合OFDR 解调系统完成了传感阵列长度为10 m、空间分辨率为1.5 mm 的大容量弱光栅阵列的解调[54]，通过实验实现了1.0◦C 的温度误差和20.02 µε的应变误差。由于受限于超短光栅谱宽展宽，难以实现更高精度和空间分辨率的解调系统。

为了解决超短弱光栅阵列光纤由于谱宽增宽导致解调精度下降的问题，提出了一种基于微腔阵列光纤的分布式传感技术，可实现高精度全分布式传感[65]。微腔阵列光纤由密集超短光栅阵列构成，结构如图10 所示。在超短全同弱光栅阵列光纤中，两两相邻的FBG 构成一个微腔单元作为传感元件，因此可使传感区域连续分布从而实现全分布式传感。与利用光纤内部后向散射效应的技术相比，基于微腔阵列光纤的传感系统的信噪比更高。与密集超短光纤光栅阵列相比，微腔单元的反射光谱条纹精细度也更高，可以实现更高精度的解调。通过在线写入技术制作了一根长度为7.18 m 的光栅阵列光纤，其中每个微腔单元长度为1.24 mm，共形成8 556 个微腔单元。实现了热敏系数为10.98∼11.43 pm/◦C、波长解调精度小于1.79 pm、温度精度小于0.157◦C 的全分布式温度传感。

图10 微腔阵列光纤结构图Figure 10 Micro-cavity array fiber structure diagram

3.1.2.2 非相干光频域反射技术

非相干光频域反射技术是通过连续调频波技术实现的，起源于频率调制连续波激光雷达系统[66]，其原理与相干光频域反射技术相似，原理如图11 所示。利用连续扫频信号源驱动电光调制器实现对可调谐激光器输出光强调制，通过光环形器输入至光纤光栅阵列中，反射回的信号通过光电探测器转换为电信号后与另一路驱动信号进行混频，然后采用低通滤波器滤除混频后的高频信号。由于不同位置光栅反射光信号与驱动信号混频后的频率差不同，因此通过差频信号可以实现各个光栅的定位，通过控制可调谐激光器使其输出扫描光，即可实现各个光栅的光谱解调。

图11 非相干光频域反射系统原理图Figure 11 Schematic diagram of incoherent OFDR principle

2016年，埃尔朗根-纽伦堡大学Werzinger 等[67]采用I-OFDR 和步进可调谐激光光源的波长扫描相结合的方法研究了光栅阵列光纤的准分布探测技术，实现了低至cm 范围的空间分辨率。2017年，本课题组采用DFB 激光器，提出了一种基于调频连续波技术的弱反射光纤光栅阵列解调方法[68]，实现了单根光纤上串接100 个间隔5 m、反射率仅为0.1% 的全同弱光栅的解调，在0∼80◦C 的温度范围内，解调误差在13 pm 内。

用I-OFDR 技术实现对光栅位置信息解调，可以有效降低解调系统对激光器相干长度的要求，因此可以提高探测距离进而实现长距离、大容量光栅阵列的解调。2019年，本课题组利用I-OFDR 技术，研究了一种大容量光纤光栅阵列的解调技术[69]，系统原理如图12 所示。通过使用混沌光源减少了反射传感信号之间的干扰，显著提高了解调系统的空间分辨率，实现了3 640 个反射率约为0.01%、间隔为10 cm 的全同弱光栅阵列的解调，波长解调精度为15 pm。

图12 基于光纤布拉格光栅阵列的I-OFDR 系统原理示意图Figure 12 Schematic diagram of I-OFDR principle based on FBG array

综上所述，OTDR 传感技术通常适用于远距离传感，但受限于脉冲调制宽度，难于同时实现高信噪比和高空间分辨率，其空间分辨率通常只能在m 量级左右。而OFDR 传感技术相对OTDR 具备更高的空间分辨率，其空间分辨率可以到mm 量级，但传感距离通常小于1 km。

3.2 高速FBG 阵列波长解调技术

光纤光栅传感技术的核心之一在于实现光纤光栅波长的解调。图13 列出了多种典型的光纤光栅传感器的应用和对应的解调技术。在10 Hz 解调频率水平，低速光纤光栅解调可用于高精度静态环境的测量，例如大型建筑的健康监测与环境温度检测。光谱仪为典型的静态解调设备，但其为机械式扫描，刷新速率低。在1 kHz 解调频率水平，光纤光栅传感器主要应用于低频振动信号的检测，该解调范围的光纤光栅解调应用与对应的解调技术十分成熟，已有大量关于建筑、桥梁的健康监测以及多种机械设备状态监测应用的报道[70-72]，大部分商用解调仪如美国Micron Optics（MOI）公司推出的高性能解调仪SI15、SI255 在这一解调频率水平。在100 kHz 解调频率水平，光纤光栅解调应用在高频振动信号的检测中，如航空发动机部件的齿轮、转子叶片等旋转类机械部件的检测，研究数据显示[73-74]，航空齿轮箱内齿轮啮合频率可高达8.2 kHz，叶片发生高阶共振频率达11.1 kHz，这就需要传感系统具备更高频率范围的光纤光栅信号测量能力，对光纤光栅的解调速度提出了极高的要求。

图13 光纤布拉格光栅典型应用及对应的解调技术Figure 13 Typical FBG application and corresponding demodulation technology

3.2.1 基于各类光源的高速光纤光栅解调技术

光纤光栅作为无源光器件，其光信号的激发离不开解调系统中的光源作用，高速光纤光栅解调系统离不开激光光源的选择与设计。为了实现高速光纤光栅解调，首先要考虑常应用在光纤光栅解调的光源包括宽带光源、脉冲光源以及扫频光源。

3.2.1.1 基于宽带光源的高速光纤光栅解调

宽带光源可直接激发光纤光栅产生全反射光谱，传统光纤光栅光谱解调技术通常会直接检测FBG 反射波长的变化量[75-76]。随着光谱成像技术的发展，推动了微型化光谱仪在光纤光栅解调中的应用，其中最多的是采用美国Bayspec 公司推出的光纤光栅解调分析仪（fiber Bragg grating interrogation analyzer, FBGA），具有体积小、功耗低、响应快等优点，光纤光栅解调速度可达5 kHz。基于该FBGA 模块已开发出多款集成[77]光纤光栅解调系统[78]，并已广泛应用于实验力学、结构损伤、钢筋混泥土等领域。目前，国内还无法自主研发，只能在原有进口设备的基础上进行二次开发，受限于核心器件FBGA 模块的性能局限，无法实现5 kHz 以上速度的解调。

3.2.1.2 基于脉冲光源的高速光纤光栅解调

与宽带光源不同，可调制的脉冲光源往往可以实现很高的刷新频率，而通过与光时域反射方法的结合，可以实现大容量光纤光栅的复用。2016年，美国弗吉尼亚理工大学Ma 等[79]采用脉冲色散法实现了光纤光栅阵列的高速解调，如图14 所示，经过调制的脉冲光源发出高速光脉冲，经全同弱光栅阵列依次反射，反射的脉冲经过色散补偿光纤时产生的色散效应，将光纤光栅的波长变化转换为时域中的时延变化，根据脉冲时延可以实现各光纤光栅的高速解调，解调速率高达20 kHz，解调精度约9.03 pm。

图14 脉冲色散法的原理图Figure 14 Schematic diagram of the principle of pulse dispersion method

2015年，本课题组[80]同样采用脉冲激光光源，利用色散补偿光纤的色散延迟效应进行波长-时间的转换，通过牺牲解调频率，对采样数据进行10 次平均后进行波长解调，系统解调速度可达100 kHz，解调误差可提高到27.8 pm。

3.2.1.3 基于扫频激光器的高速光纤光栅解调

扫频光源是波长连续可调谐并随时间编码的激光光源，大体分为：线型腔扫频激光器、基于时域色散的扫频激光器，以及基于可调谐滤波器的短、长腔扫频激光器等。代表性的线型腔扫频激光器为分布反馈式二极管激光器。2015年，本课题组[81]采用分布式反馈激光器构成了高速扫频激光器。通过静态、动态解调实验验证，解调系统精度约为8 pm，并可分析50 kHz 以内的频谱信息，解调频率达到了100 kHz。该光纤光栅解调系统结构简单、成本低，可用于光纤光栅100 kHz 的高速解调。2017年，本课题组[82]针对原基于DFB 扫频激光器的解调系统只能进行单光栅解调的缺陷进行了改进，在保持100 kHz 高速解调的前提下，采用全同弱光栅阵列将光纤光栅传感容量提高到10 个，并提出了波形缺失修复算法，动态解调范围提高了40%。

在锁模激光器输出的宽谱脉冲光中加入色散光纤，不同频率的光便会因为速度不同而产生不同的时延，从而在实现光源的时间-波长映射，进而得到稳定的扫频光，该技术称为基于时域色散（色散调谐）的扫频技术，最早是由台湾大学Tong 等[83]提出的。2009年，日本东京大学同研究组Nakazaki 等[84]将基于时域色散的扫频光源应用在光纤传感领域，利用基于时域色散的扫频光源实现了40 kHz 光纤光栅解调，并对150 Hz 的动态应变信号进行了测量。

另一种常见的扫频实现方法是可调谐法布里-珀罗（Fabry-Perot, F-P）滤波器方法。2012年，本课题相关研究人员[85]提出4 通道大容量光纤光栅解调仪。光纤光栅解调仪的稳定性为2 pm，分辨率为1 pm，测量精度为5 pm，解调频率为4 kHz。为了突破传统谐振腔内各波长激光建立时间对扫频激光器扫频速度的限制，麻省理工学院的Huber 等[86]在传统短腔锁模技术的基础上于2006年提出了傅里叶锁模技术（fourier domain mode locking, FDML）技术，可在不牺牲扫频激光器的调谐范围以及瞬时线宽等参数的前提下，突破短腔谐振结构最大扫频速度的限制。2008年，韩国釜山大学Jung 等[87]首次将傅里叶域锁模技术应用于光纤传感方向，用FDML 扫频激光器构建了光纤光栅解调系统，该解调系统的解调频率达31.3 kHz，扫描范围为70 nm，极大地突破了传统扫频激光器的扫描限制，传感部分连接了4 个不同波长的光纤光栅，进行了动静态的应力测量。2016年，韩国忠南大学Park 等[88]在1 550 m 波段搭建了FDML 扫频激光器，进一步将激光器扫频速度提高到40.6 kHz。2017年，日本大学的Yamaguchi 等[89]采用傅里叶锁模激光器，实现了20 kHz 的光纤光栅解调频率，成功地在实验平台上测量到4.65 kHz 的高速振动，证明了基于FDML 的光纤光栅系统具有高频动应变测量能力。FDML 扫频激光器突破了传统短腔锁模技术的限制，解调速度可达上百kHz，但基于扫频激光器的解调方案目前还存在复用方式单一、稳定性较差、缺少大容量数据信号处理能力等问题。

3.2.2 脉冲波长扫描的高速解调方法

近年来，光纤光栅拉丝塔在线刻写技术[43]的发展促进了全同弱光栅阵列的广泛应用，基于时分复用（time domain multiplexing, TDM）的全同弱反射光纤光栅阵列克服了波分复用（wavelength domain multiplexing, WDM）中光源带宽对系统传感容量的限制，极大地提高了传感容量。

3.2.2.1 连续扫频光时域反射高速解调

从理论上来说，只要扫频激光器波长扫描速度Vsweep够快，每个全同光纤光栅所占用的时间带宽∆t就可以足够小，当∆t小于空间间隔带来的时间延迟tdelay时就可以将所有的光栅在时域上进行区分。基于此，本课题组搭建了基于脉冲波长扫描方法的高速解调系统[90]，如图15 所示，系统利用FDML 扫频激光器的高速扫描特点，结合光栅间的光传输延时实现全同光栅在时域上的分离，一次扫频就可以得到完整的全同光栅阵列反射光谱，系统解调频率不受阵列的复用容量影响，可以极大地减小OTDR 系统的响应时间和解调复杂度，实现了反射率为1%、间隔为20 m 的18 个FBG 阵列的120 kHz 全同弱光栅阵列的高速解调，解调准确度为15 pm、分辨率为1 pm。

图15 基于FDML 扫频激光器的脉冲波长扫描解调系统Figure 15 Pulse wavelength scanning demodulation system based on FDML sweep frequency laser

3.2.2.2 WDM/TDM 混合复用弱光栅阵列的高速解调

全同弱光栅只需要小段波长扫描范围，并没有利用FDML 扫频激光器大波长扫描范围的优势，本课题组提出基于WDM/TDM 多编码的弱光栅复用方法[91]，设计了多个相同的WDM 弱光栅组合，再由延迟光纤相连构成了TDM 阵列，既保留了WDM 无需空间间隔的优点，又采用TDM 突破了传统FDML 解调系统的传感器容量受波长扫描带宽限制的问题。设计的高速解调系统如图16 所示，为了解决光栅位置信息与波长信息混乱的问题，提出了以多编码的方式对WDM/TDM 光栅以波长、时间为参量进行提前编码。实现了WDM/TDM光栅阵列35 个弱光栅的时域区分，动态解调频率达到100 kHz。

图16 基于FDML 扫频激光器的WDM/TDM 弱光栅高速解调系统Figure 16 WDM/TDM weak FBG array high-speed demodulation system based on FDML sweep frequency laser

3.3 FBG 阵列增强型分布式声波传感

光纤分布式声波传感（distributed acoustic sensing, DAS）主要集中于沿光纤的动态信号传感，结合了干涉测量的高灵敏度和光纤的全分布式双重优势，可以实现长距离高灵敏度的振动信号监测，近年来已广泛研究并应用在诸多领域中，如地震预警[92-93]、交通监测[94]、水声探测[95-96]和周界安防[97]等。由于FBG 相比于光纤中散射信号具有更高的反射强度，虽然相比较基于光纤散射的分布式传感长度不具有优势，但在检测距离要求在上百km 以下的应用场景中，它的引入使得光纤分布式声波传感技术具有更高的信噪比以及相对更高的灵敏度，其解调速度也会相应获得提升。下面将介绍FBG 传感阵列光纤在分布式声波传感系统中的最新研究。

3.3.1 分布式声波传感高速解调系统

在包括强度、波长、频率、偏振态等多种光纤传感调制形式当中，基于光学干涉的相位调制型光纤DAS 技术具有极高的灵敏度和广阔的应用前景。目前相位调制型光纤DAS 技术主要有光纤双干涉仪和相位敏感型光时域反射两种。双干涉仪技术通过空分复用获取传感光纤周围的声波信息（幅度和频率），如Sagnac-Sagnac[97]、Sagnac-MZ[98]、Sagnac-Michelson[99]和MZ-MZ[100]等，但它们的光路设计和解调算法较复杂，都难以满足分布式高速实时动态监测应用需求。另外，全光纤式的Φ-OTDR 系统中的相干散射光强度很弱[101]，典型散射系数约为−80 dB，系统需要使用高相干激光光源来保证系统低相位噪声，同时后期数据处理需要利用高阶信号平滑滤波来进一步提升系统信噪比[102-103]，该系统数据处理负荷较大，只适用于低速窄带宽的声波传感应用。

为了实现高速的DAS 解调系统，本课题组提出了一种基于全同超弱（−40 dB）光纤布拉格光栅的高速Mach-Zehnder-OTDR 分布式光纤声波传感系统[104]，如图17 所示。系统中全同弱光栅构成斐索干涉结构，FBG 作为反射基元，而两相邻FBG 之间的单模光纤作为光纤传感测区，外部扰动信号将造成传感测区相位的变化，利用相位解调技术可实现对每个测区的独立声波感知。目前在相位解调方案中，最常用的两种方法为相位生成载波技术[101,105]和基于3×3 耦合器的数字相位解调技术。两者都具有自己独特的优势[106]：前者动态范围内线性度好、易实现；后者解调方案简单、无需进行载波调制、对激光器要求低等。因此，本课题组通常采用基于3×3 耦合器的数字相位解调技术进行相位的还原。系统利用全同FBG 阵列结合光学干涉，形成的反射信号强度比瑞利散射高3∼4 个数量级，可以获得较高信噪比的干涉光脉冲和声波信号，极大地降低了分布式声波传感系统的系统噪声。同时，该系统用成本较低的DFB 激光器，其线宽约为17.8 MHz，极大地降低了Φ-OTDR 系统对窄线宽激光器的过度依赖和硬件成本。

图17 高速Mach-Zehnder-OTDR 光纤分布式声波传感系统Figure 17 High-speed Mach-Zehnder-OTDR optical fiber distributed acoustic wave sensing system

该系统在长为1 km 的传感光纤中实现了3 m 的空间分辨率和多个声源的同时定位，无平滑滤波时SNR 高达6.7 dB。系统的频率响应范围达10∼25 kHz，在10 Hz 和25 kHz 下的频率响应结果分别如图18(a) 和18(b) 所示，可以看出所提出系统对10 Hz 和25 kHz 的声波信号都具有明显极高信噪比的解调能力。所提出的Mach-Zehnder-OTDR 分布式声波传感系统凭借较高的信噪比和无需额外的平滑滤波处理，大大降低了系统的数据解调负荷，为DAS系统的高速实时动态监测应用提供了理论支撑。

图18 Mach-Zehnder-OTDR 分布式声波传感系统频率响应结果Figure 18 Frequency response results of Mach-Zehnder-OTDR distributed acoustic wave sensing system

3.3.2 高动态范围分布式声波传感

相位调制型DAS 技术利用瑞利散射光的相位波动信息来感知外界声波信号，其中瑞利散射光的相位表示声波振幅在传感光纤上的空间积分[107]，使系统的声压灵敏度与空间分辨率保持密切相关。相位解调是基于相位调制的DAS 系统将光干涉信号转换为声波传感信号的核心步骤，也是DAS 系统进行下一步阵列信号处理和勘测应用的重要基础。其中相位解缠[108-109]是高动态范围相位解调的核心技术之一，已广泛应用于光纤传感[110]、合成孔径雷达[111]、数字全息[112-113]、相干层析[114]等光学干涉检测技术中。目前，光纤传感技术领域中大多数DAS 技术研究和工程应用均基于单波长光学干涉和相位解调，系统构成简单、数据处理高效，然而局限性在于任何相邻两采样点之间的相位变化不能超过π，即π 相位原则限制[109]，否则必须依赖提升DAS 系统解调频率来降低这种约束。在单根光纤上级联有上千个弱FBG 的大容量长距离FBG 阵列DAS 系统中，解调频率是极其珍贵的“系统资源”，关乎到DAS 系统的综合性能，为了提升动态范围而牺牲解调频率，不仅降低了系统带宽而且加重了传感系统数据处理的负荷。而在近几年光纤传感技术的研究中，已有合成双波长高动态范围的相关报道[109]，然而合成波长相位解缠系统仍然无法摆脱π 相位原则的枷锁，动态范围提升幅度极为有限。DAS 技术在轨道交通、周界安防、水声探测等存在大幅度声波信号领域中的应用仍面临着很多困难和挑战。

针对当前光纤DAS 系统动态范围不足、应用领域窄等问题，本课题组近年提出了一种新的相位解缠算法，称作双波长线性回归分析相位解缠算法[115-116]。双波长线性回归相位解缠算法从原理上解决了传统π 相位原则的限制，双波长回归分析相位解缠算法只利用了当前采样时刻双波长下的相位之间的线性关系，而与前后采样点之间无直接联系，因此可以实现与采样率无关的高动态范围相位解调，即使对于高频信号也可以正常恢复，同时系统噪声水平达到单波长水平。

为了验证提出的双波长相位解缠系统的优势和可靠性，系统采用λ1= 1 310 nm 和λ2= 1 550 nm 双波长窄线宽激光光源，通过波分复用技术和声波共路传感结构，构建了高动态范围光纤声波传感系统，系统结构图如图19 所示。双波长激光光源的线宽分别为∆ν1=500 kHz 和∆ν2=100 kHz，系统利用马赫-曾德尔干涉仪和3×3 光纤耦合器数字相位解调技术，利用压电陶瓷管（piezoelectric transducer, PZT）模拟外界振动信号，并将2.5 m的单模光纤紧密均匀缠绕在PZT 上使光纤发生周期性伸缩产生单频正弦相位变化。系统还在干涉仪的参考臂中加入了数控可调光延时线，利用基于“白光”干涉原理的臂长差控制技术，将干涉仪臂长差控制在60 µm 以内，减小了由非全等臂干涉仪引入的冗余相位噪声，提高了3×3 耦合器相位预解调的解调精度。

图19 高动态范围光纤声波传感系统结构图Figure 19 High dynamic range optical fiber acoustic wave sensing system structure diagram

该系统使用驱动频率为100 Hz 且幅度不断增大的PZT 声波信号来验证单波长（1λ1,2）、合成波长（1Λ）[109]和新双波长（2λ-LRPU）三种相位解缠技术的动态范围，完整相位解调结果如图20 所示。可明显看出，PZT 声波信号分为5 个阶段并且在幅度逐渐增大的过程中，单波长和合成波长相位解缠技术逐渐失效，只有提出的双波长线性回归技术能始终准确地恢复真实声波相位波形，实验证明了我们提出的双波长线性回归分析相位解调系统的可靠性。双波长相位解缠具有高动态范围、低系统噪声以及可低采样率解调的优良性能，使得干涉型分布式声波传感的应用领域更广，稳定性更强。

图20 三种相位解缠技术下动态范围验证实验结果Figure 20 Dynamic range verification experimental results under three phase unwrapping techniques

3.3.3 动静态共同感知

为了在微振、温度、应变等多参量测量需求的应用环境中实现动静态同时传感测量，我们提出了一种基于超短光纤布拉格光栅阵列的分布式动静态共同感知方案[117]，以实现多测点高稳定度的静态传感和高灵敏度的动态传感，如图21 所示。系统结合了基于双波长边缘滤波的超短光纤布拉格光栅波长解调技术和基于光纤干涉的相位调制型传感技术，两者所用光源的线宽均远窄于超短光纤布拉格光栅的反射光谱宽带，而且双波长边缘滤波技术算法复杂度低、光路结构简单，使得两种解调结构的光源和部分光路实现共用。所用的超短光纤布拉格光栅反射率极低、反射光谱宽，易于实现大容量传感器组网，非常适用于分布式光纤传感系统。

图21 基于超短FBG 光栅阵列的分布式动静态解调系统Figure 21 Distributed dynamic and static demodulation system based on ultra-short FBG array

在静态解调方面，系统利用基于线性滤波比例探测的双波长边缘滤波技术，通过测量在FBG 反射光谱内任意两个探测波长的反射光强变化来实现FBG 波长漂移量解调的技术；在动态解调方面，系统所用的3×3 耦合器数字相位解调技术具有结构简单、动态范围大、解调速度快等优势，同时，3×3 耦合器相位解调还可以避免当超短光纤光栅受到温度或应力时双波长反射光强波动对解调相位的影响，因此综合实现了波长-相位的同时独立解调，效果图如图22 所示。

图22 波长-相位同时独立解调效果示意图Figure 22 Schematic diagram of the effect of simultaneous independent demodulation of wavelength and phase

4 FBG 阵列光纤的应用研究

光纤光栅所具有的高灵敏度、抗电磁干扰、大复用能力等诸多优点，可应用于监测各种恶劣环境中的温度、应变、振动等物理量，随着光纤光栅制备方法、传感解调技术研究不断改进，制作工艺、复用容量、传感器性能不断提升，其可靠性已经获得了大大的提高。大规模光纤光栅分布式传感器目前已广泛应用于公铁隧道[118]、桥梁工程、石油、电力、航空航天等领域。

4.1 静态分布式温度解调检测技术

光栅阵列传感器作为温度敏感元件，因具有电绝缘等特性特别适用于长距离或需电绝缘场合的火灾报警、超多测点的温度监测等应用场景，在石油石化、公铁隧道、电力等行业具有重要推广价值。基于光栅阵列光纤的分布式传感技术，可根据应用环境和场景，监测点数、密度与长度定制分布式传感阵列。

在石油化工领域，大型储油罐作为国家重要经济发展的保障，对初期火源的监测具有重要意义，因此要求分布式传感系统具有响应速度快、温度检测精度高等特性。基于大规模光栅阵列光纤的分布式感温原理通过实施探测油罐的分布式温度场的变化[119]，通过温度监测及差温、定温报警系统进行初期火灾的实时监测与报警，该系统已累计应用于国内3 000 多个石化行业的大型石油储罐。而在交通领域，长线型公铁路隧道对初期火源的报警同样具有重要意义[120-121]，基于光栅阵列光纤的分布式火灾报警系统具有体积小、响应速度快等优势而在同类型传感器的竞争中具有优势，已在终南山隧道、厦门翔安隧道、武汉长江隧道、沪蓉西高速隧道群等多公铁隧道展开应用，产品累计应用里程已超9 000 km。同时，在大型空冷岛温度监测领域，如图23 所示，系统实现了上万个测量点、高精度、数十公里的空冷岛温度分布式测量，解决了电力行业多年急需解决的难题，已在天富合盛、双良节能等多个热电厂进行应用。

图23 空冷岛大容量分布式温度场监测Figure 23 Large-capacity distributed temperature field monitoring of air-cooled island

对于电缆廊道、电气地下室、电缆沟和车间内电缆桥架等建筑或区域内电缆密集程度较高的应用对象，中国在2014年制定的线型感温火灾探测器国家标准GB16280-2014 中提出要求任何一段长度为100 mm 的敏感部件能够迅速监测温度变化，从而实现对小尺寸火源的预警。目前感温电缆可有效感知此类小火源，但传感器总长较短、无法定位火源，不能满足长距离、可定位的火灾探测需求。当前主流的拉曼光纤测温系统的空间分辨率约为1 m，针对小尺寸火源的探测存在平均效应，响应速度慢，甚至无法探测；而基于光纤光栅的分布式测温系统传感点数少、间距通常为3 m，也无法满足对小尺寸火源的快速感知。本课题组所提出的基于密集型光栅阵列光纤的分布式传感系统[60]，结合了时分复用和光纤光栅传感技术，将光栅阵列分为若干分区，将整个分区内的所有光栅作为一个测量单元。在火灾安全监测要求范围内，该系统通过牺牲定位精度大幅减少了测量单位，从而提高了感知密集度与响应速度，最终在最长10 km 的传感距离上实现了100 mm 小火源的分布式探测，响应速度为1 s，温度分辨率为0.1◦C。该技术已实际应用于长江三峡葛洲坝船闸电缆廊道，麻竹高速隧道群，中国石油化工股份有限公司武汉分公司储油罐、港珠澳大桥等大型工程的火灾监测。图24 所示为长江三峡葛洲坝船闸电缆廊道及港珠澳大桥火灾监测的示意图。

图24 电缆廊道/桥隧火灾报警Figure 24 Cable corridor/bridge tunnel fire alarm

4.2 静态分布式应变解调检测技术

基于大规模光栅阵列光纤的应变分布式解调技术按照检测距离和监测密度来划分主要有两种。一种是采用OTDR 分布式传感技术，主要应用于长距离（km 量级），且对密集度要求不高的领域，如公铁大桥和铁轨的结构健康监测，其空间分辨率通常为m 量级。另一种是采用OFDR 分布式传感技术，主要应用在一些可能产生具有非均匀应变场的检测领域。由于空间分辨率的限制会导致传感区域漏检或光栅位置发生谱型啁啾，从而不能准确还原应变场的分布[122]。例如在航空航天飞行器、船舶、机械结构等安全健康监测方面具有较高的工程应用价值，虽然检测范围不大，通常在百m 量级，但空间分辨率要求mm 量级甚至亚mm 量级。

基于OTDR 技术的FBG 分布式应变传感器，在桥梁结构健康监测领域，主要用于预应力拉索力监测、混凝土应变与裂缝监测、复合材料性能监测等；在隧道结构健康监测领域，主要实时监测应力和应变等指标，评估岩体自变形及渗透、泥石流等各类次生灾害造成的影响；在道路结构监测领域，主要用于路面结构形变监测，该监测的关键是需要完成匹配路面沥青材料的FBG 设计，以防止应力应变反复对FBG 稳定性带来的影响。

美国NASA 的Childers 和Froggatt 等[49]采用OFDR 解调技术实现了空间分辨率为4 mm、检测长度为8 m，单根光纤复用容量为800 个光栅的分布式应变传感检测，并成功应用于商用飞机机翼的结构应变分布式检测，可节省大量的安装时间与布线量。利用OFDR 具有极高的空间分辨率这一特性，日本东京大学的Wada 等[123-126]对基于单个光栅长为10 cm的光栅串进行了一系列的应用研究，包括直升机叶片应变检测、机翼的应变分布式检测等，均取得了较好的效果。本课题组基于OFDR 检测技术，实现了检测长度为10 m，复用容量为上万个的超弱反射率光栅阵列光纤的超高空间分辨率（1 mm）的应变分布式检测，并通过检测裂纹尖端的应变分布实现对裂纹及裂纹扩展的判断与监测[127]。

图25 裂纹尖端应变分布式监测及定位Figure 25 Distributed monitoring and location of crack tip strain

4.3 动态分布式相位解调

本课题组提出了一种基于大规模光栅阵列光纤的马赫-曾德尔分布式微振动传感方法，利用每两个相邻光栅形成干涉仪的传感臂，以时分复用形式分别与参考臂发生干涉，实现了增强型的高灵敏度分布式微振动传感，并采用双波长线性回归解缠绕算法在拓展动态范围的同时保证系统的高灵敏度。同时，对光纤传感单元进行相位信号分析，对光栅单元进行波长信号分析，构建温度、应变、微振动的长距离、多参量、高精度传感网络，并应用于各种大型工程应用健康安全、外界入侵、海洋水听探测、石油勘探等领域[128-129]，取得了较好的效果。

4.3.1 地铁隧道全时全域安全监测

地铁隧道服役于复杂多变的地下环境中，隧道结构不但要承受周围的地层压力、相邻施工扰动、轨道交通动载等各种作用，而且会与岩土介质、空气中的各种侵蚀性离子和地下水等发生作用，隧道结构不可避免地会出现病害，使得安全服役面临挑战。为了能及时对监测对象的状态、稳定程度和变形进行分析，并长期安全地保存监测信息以实现地铁隧道的信息化管理，现有监测技术难以满足覆盖隧道全线开展时空密集地连续监测，不足以实现对隧道结构全线的状态评估，而虽然常规移动隧道检测车能够对较大区间范围实现监测，但其由于速度受限仅能在地铁停运后的凌晨“天窗”期工作，难以实现连续跟踪。因此，亟需探索一种满足地铁隧道全时全域监测需求的结构安全监测方法。

本课题组基于光栅阵列光纤的分布式传感技术实现了一种全时全域的地铁隧道安全监测方法，包括火灾报警监测、列车安全运行、非法入侵识别、轨道及隧洞健康安全监测等功能[130]。除了以上介绍的温度场火灾监测以及应变场结构监测，还设计了基于光栅阵列光纤分布式振动监测的安全监测系统，分别将光栅阵列布设于地铁道床与隧道洞壁上，通过获取并分析列车行驶过程中的振动信号，可判别出列车车厢位置、速度、长度及数量等信息。模拟挖掘机开挖工程场景[131]，通过检测相位均方根的变化判别开挖点的位置。对算法进行了优化，从多尺度分析角度判断入侵事件，平均识别率达96.57%[130]。根据后续数据库的搭建，可通过大数据分析对于轨道、列车、隧洞等结构健康进行监测。该产品目前已应用于武汉市地铁7 号线与8 号线的地铁健康监测系统中，并且运行良好。

图26 地铁隧道振动信号识别示意图Figure 26 Schematic diagram of subway tunnel vibration signal recognition

4.3.2 基于光栅阵列增强型光纤水听器

将光栅阵列用非平衡干涉仪连接组成干涉阵列，虽然光路结构上与FBG-FP 类似，但由于光栅各基元反射率极低，光信号在经过高阶反射后由于能量太弱而可以忽略，此时由弱反射光栅阵列构成的干涉传感器就组成了斐索干涉型传感阵列。2015年，山东科学院王昌等[94]利用500 基元全同超弱反射光栅进行了水声信号解调实验，利用该系统最低可检测0.122 Pa的水下声压信号，同时针对450∼600 Hz 水下声波进行校准，得到了−158 dB 的声压灵敏度校准结果。2016年，尚盈等[132]利用超低反射率的光栅阵列与迈克尔逊干涉仪构成斐索干涉相干检测系统，斐索腔长为2 m，经实验测得200∼1 500 Hz 频带内输出频率响应平坦度低于1.4 dB，证明了斐索干涉传感阵列的良好一致性。

2017年，周次明教授团队[133]利用反射率为−40 dB 的超弱反射光栅阵列组成499 基元斐索干涉型声波传感器，利用其中6 个传感器对空气中的声波相位及声压进行信号解调与检测，在0.5∼100.0 Hz 频带内得到的最小可测空气中声压为0.024 rad/Pa。2018年，周次明教授团队[134]基于弱反射光栅阵列利用反射率为−50∼−40 dB 的超弱反射光栅阵列进行腔长为50 m 的水声探测，最小可测声压为证明了长腔型斐索传感器相干检测系统的高灵敏度特性。2020年，该团队对该种长腔型的传感器声压灵敏度校准实验进行了进一步深入研究，提出了一种更为精细可靠的振动液柱法实验室校准方法，定量分析了深度、姿态以及固定装置等因素对长腔型光纤水听器的灵敏度校准影响。斐索干涉型光纤传感器不仅保留了FBG-FP 型光纤水听器高灵敏度、易于复用等优势，同时弱反射光栅还能克服时分复用串扰问题，因此斐索干涉型光纤传感器在未来实际应用中具有巨大前景。

4.3.3 增强型光栅阵列光纤地震波检测

在油气勘探领域，常规石油气天然气资源增储增产难度越来越大，页岩气等非常规油气资源勘探的战略地位日趋重要，利用地震波检测技术对人工震源或天然震源产生的地震波信号处理与反演是目前油气勘探的重要手段。分布式光纤声波检测技术是目前油气勘探领域应用最广的光纤传感技术，而基于光栅阵列光纤的分布式传感技术，因具有高信噪比、物理定位属性、高精度制备工艺使其传感系统具有更高灵敏度、高定位精度，并能构建大容量高精度的地震波检测传感网络而非常适用于油气勘探领域。

随着光栅阵列光纤在线制备的工程化应用与推广，本课题组合作单位山东科学院王昌教授团队的王晨博士[94]提出了一种基于增强型光栅阵列光纤与Φ-OTDR 传感系统的分布式振动传感方法，由于其传感器具有更高的反射强度故信号具有更高的信噪比，使该系统非常适用于地震波的分布式检测。基于以上方案，山东科学院研究团队[132]与本课题组[135-136]对该系统又进行了大量工作，实现了高性能的分布式振动传感，在传感器方面，制备了可适用于振动分布式传感的宽谱（谱宽在3 nm）光栅阵列光纤，同时还制备了可用于温度振动同时检测的宽谱/窄带光栅交替的光栅阵列光纤[137]，使其更适用于实际勘探工程应用。另外，基于迈克尔逊干涉仪与3×3 耦合器的相位解调系统的性能优化，可以实现的SNR 高于59.2 dB@100 Hz，同时具有从10.0 Hz 到4.5 kHz 的宽频响带宽。该增强型分布式振动传感系统与封装后的光缆目前已在胜利油田中进行了井中VSP 实验，实验结果表明该系统能顺利获取到直达波、下行波和反射的上行波，为该系统在石油勘探开发领域的应用打下了坚实的基础。后续还将对光纤三分量地震波传感器、高精度成像与反演算法等基础方法及关键技术进行研究，并展开油气开发现场及周边区域野外的检测实验，以期更好将该技术应用于油气勘探领域。

5 结 语

本文系统地概述了基于大规模光栅阵列的光纤分布式传感器的近几年的发展与现状，包括光栅阵列光纤的在线制备方法与工艺，分布式传感原理、特性及其性能，以及基于大规模光栅阵列光纤的应用，特别是系列地阐述了本课题组最近基于该技术的研究。随着该技术的发展与推广，其分布式传感性能预计将得到极大的提高，并将实现商业化且广泛应用于实际工程应用，将在民用大型建筑、航空航天、油气开采等领域中发挥更大的作用，以期更好地服务于社会。