弱反射光纖光柵（WFBG）是利用紫外或飛秒激光器照射光纖而成，使具有光敏特性的纖芯產(chǎn)生周期性的折射率分布，從而形成敏感柵區(qū)，具有特征中心波長。全同弱反射光纖光柵陣列是在一根光纖上密集刻寫波長相同的WFBG，由于每個光柵的反射都比較弱，可實(shí)現(xiàn)一根光纖上復(fù)用成千上萬個光柵，陣列上每個光柵柵區(qū)長度相同，相鄰光柵之間柵距相同，呈周期性分布。弱柵相對于普通光纖具有反射信號強(qiáng)、特征中心波長的特點(diǎn)，使用光頻域反射技術(shù)（OFDR）解調(diào)弱柵陣列相較于普通光纖有穩(wěn)定性好、傳感精度高的優(yōu)勢。
一、弱柵陣列和普通光纖對比：
如圖1所示，從OFDR掃描兩者時域曲線對比，普通光纖測試的為瑞利散射信號，瑞利散射信號是由于光纖不完全均勻?qū)е碌?，其信號較弱且雜亂無規(guī)律，反射強(qiáng)度約為-100dB；弱柵陣列測試信號為每個WFBG反射的固定波長信號，在有柵區(qū)的位置反射約為-75dB，每個光柵柵區(qū)長約9mm，柵距約1mm，時域曲線呈現(xiàn)周期分布。
圖1 普通光纖和弱柵陣列時域曲線
如圖2所示，從OFDR掃描兩者頻域曲線對比，普通光纖的瑞利散射頻譜是雜亂無序的，而弱柵陣列的頻譜有明顯特征，具有特定的中心波長。
圖2 普通光纖和弱柵陣列頻域曲線
二、OFDR技術(shù)解調(diào)弱柵陣列原理
OFDR傳感解調(diào)弱柵陣列原理如圖3所示，OFDR技術(shù)可以獲取弱柵陣列的周期性反射信號，通過對參考信號和測量信號進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算實(shí)現(xiàn)解調(diào)，具體過程如下：
圖3 OFDR解調(diào)弱柵陣列過程
1、獲取參考信號：在弱柵陣列無加載狀態(tài)下，使用OFDR系統(tǒng)測試弱柵時域曲線，為參考信號。
2、獲取測量信號：對弱柵陣列加載狀態(tài)下，使用OFDR系統(tǒng)再次獲取弱柵時域曲線，為測量信號。（這里需要注意的是對弱柵陣列加載后，不能使弱柵中心波長漂移到激光器波長掃描范圍之外，若超出范圍則OFDR技術(shù)不能獲取弱柵反射信號，因此在選擇弱柵陣列波長時盡量讓其中心波長在激光器波長掃描范圍中間，確保溫度/應(yīng)變測量范圍。）
3、對比窗截取：選取固定的對比窗長度，對參考距離信號和測量信號進(jìn)行對比窗截取，對比窗口依次往后截取，從傳感段起點(diǎn)開始，直到傳感段終點(diǎn)結(jié)束。每個對比窗為一個傳感單元，將傳感段分為若干個小的傳感單元，各個傳感單元連續(xù)分布。
4、頻域轉(zhuǎn)換：對一個傳感單元內(nèi)時域曲線進(jìn)行反傅里葉變換（iFFT），將對比窗內(nèi)時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，獲得參考信號和測量信號的弱柵頻域信息。依次計(jì)算所有的傳感單元，得到整個傳感段每個傳感單元的弱柵頻域信息。
5、互相關(guān)計(jì)算：對一個傳感單元的參考信號和測量的頻域信號進(jìn)行互相關(guān)算法解調(diào)，得到弱柵陣列加載前后中心波長頻移信息。依次互相關(guān)計(jì)算所有傳感單元，得到整個傳感段每個傳感單元的弱柵中心波長頻移信息。
6、溫度/應(yīng)變獲?。喝鯑胖行牟ㄩL頻移量和弱柵陣列的溫度/應(yīng)變呈線性關(guān)系，結(jié)合溫度/應(yīng)變傳感系數(shù)，得到整個傳感段的距離—應(yīng)變/溫度分布曲線（如圖4所示）。
圖4 OFDR距離-應(yīng)變分布曲線
OFDR技術(shù)解調(diào)弱柵陣列時相較于普通光纖，在進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算每個傳感單元加載前后信號時，弱柵陣列的信號由于有中心波長的存在更加穩(wěn)定。相對于普通單模光纖，可以獲得更高的測量穩(wěn)定性和更強(qiáng)的抗干擾能力，尤其適合動態(tài)測量、振動或光纖晃動的環(huán)境。
相關(guān)設(shè)備：OSI 分布式光纖傳感系統(tǒng)
