本文发表于 Photonic Sensors 期刊2021年第11卷第1期，作者为来自武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室的 Chengli Li、Jianguan Tang、Cheng Cheng、Longbao Cai 和 Minghong Yang。该文是一篇关于光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating, FBG）阵列在准分布式传感中应用的综述，系统梳理了FBG阵列的制备方法、解调技术以及其在温度、应变和振动监测中的研究进展。
文章首先指出，分布式光纤传感器因其高灵敏度、抗电磁干扰和适用于恶劣环境的特性，在工业过程监测、油气井下测量和国防等领域得到了广泛应用。传统的分布式传感技术主要依赖拉曼散射、布里渊散射和瑞利散射。然而，这些基于背向散射的传感机制信号较弱，需要大量平均处理以提高信噪比，导致系统响应时间较长。虽然可以通过放大技术或增强散射光纤来改善信号强度，但也会引入噪声或增加散射损耗，限制长距离传感能力。相比之下，FBG阵列具有更强的反射信号和更高的信噪比，能够实现高精度、快速响应的准分布式测量。
在FBG阵列制备方面，文章重点介绍了在线写入技术（on-line writing technique）。传统的FBG制备过程需要氢载敏化、去除涂覆层、紫外激光写入、再涂覆以及熔接等多个步骤，工艺复杂且熔接点会降低光纤强度，不利于长距离和大规模组网。在线写入技术则是在光纤拉丝过程中直接写入光栅，避免了光纤熔接，显著提高了FBG阵列的复用能力和机械稳定性。1993年，Dong等人首次在光纤拉丝过程中实现了单脉冲光栅写入。此后，研究者不断改进在线写入方法，采用Talbot干涉仪或相位掩模等技术制备弱反射FBG阵列。例如，Lindner等人利用改进的Talbot干涉仪在拉丝过程中制备了反射率约为40%的FBG，而通过提高能量密度可获得约90%的高反射光栅。Guo等人采用相位掩模法在线制备了反射率约为0.26%的弱FBG阵列，并获得了良好的中心波长均匀性。弱光栅阵列由于具有窄带宽和弱反射特性，可以大幅提高复用容量和传感距离。
在解调技术方面，文章将FBG阵列的解调方法分为波长解调和相位解调两大类。波长解调主要用于温度和应变的准分布式静态测量。波分复用（wavelength division multiplexing, WDM）为每个FBG分配独立的波长窗口，但受光源带宽限制，复用数量通常低于100个。时分复用（time division multiplexing, TDM）则利用反射脉冲的时间延迟来区分不同光栅，即使波长相同也可以实现大规模复用。Wang等人提出了基于相同超弱FBG的串行TDM网络，通过可调谐激光器和高速数据采集实现了12个FBG的波长解调，波长精度约为10 pm。Hu等人利用两个半导体光放大器和一个高速电荷耦合器件模块重构超弱FBG的反射光谱，在843个相同FBG的传感网络上实现了温度测量，温度分辨率达到0.11 ℃。Luo等人结合时分和波分复用技术，在2000个超弱FBG的网络上实现了分布式温度测量，温度灵敏度约为10.7 pm/℃。Ma等人利用色散引起的波长-时间映射实现了高速解调，在包含2014个超弱FBG的阵列上获得了9.03 pm的静态波长分辨率。Zhou等人将微波光子学与色散结合，实现了40 kHz的动态解调速率和约8 pm的波长检测精度。此外，Cheng等人提出了一种基于双波长差分检测的简化解调方案，通过监测光栅光谱内两个波长处的反射强度比来线性追踪布拉格波长漂移。Wang等人则利用光纤段内多个超弱FBG的整体光谱实现了10 cm的传感分辨率和1 m的定位分辨率，在热点检测实验中表现出比传统拉曼测温电缆更快的响应和更准确的温度测量。Gotten等人报道了一种混合码分复用（code-division multiplexing, CDM）与波分复用的解调系统，在150 m光纤上成功解调了477个传感器，校准测量显示非线性低于±6 pm。
相位解调主要用于动态振动传感。传统相位敏感光时域反射计（phase-sensitive optical time-domain reflectometry, φ-OTDR）利用相干瑞利背向散射实现分布式振动测量，但背向散射信号弱且存在相干衰落效应，可能导致动态应变重建失败。超弱FBG阵列可以提供可控且稳定的反射，从而改善φ-OTDR系统性能。其原理是测量相邻两个超弱FBG反射脉冲之间的相位变化。Zhu等人利用5个反射率为−20 dB的超弱FBG实现了高精度动态应变测量，应变测量误差为6.2 nε。Wang等人建立了包含500个相同超弱FBG的分布式声学传感网络，采用平衡Michelson干涉仪和3×3耦合器解调，实现了约−158 dB的声学相位灵敏度和450 Hz至600 Hz的平坦频率响应。Li等人采用带宽大于3 nm的宽带超弱FBG阵列，在20 ℃至200 ℃的大温度范围内实现了振动信号重建，最小相位检测为1.02×10⁻³ rad/√Hz。Zhu等人将超弱FBG阵列与3×3耦合器解调结合用于局部放电检测，成功检测到9 kHz至15 kHz的声脉冲信号。Liu等人提出双脉冲和外差检测方法，最小可检测光纤长度变化为14.63 nm，传感频率低至0.2 Hz。Shan等人采用自外差检测方案，在42 km传感光纤末端实现了高保真振动重建，动态应变峰峰值范围为9.28 nε至176.96 nε，均方根测量误差小于1.32 nε。Muanenda等人利用相位生成载波解调算法避免了相位解缠，在200个超弱FBG阵列上实现了约34.52 dB的信噪比。Liang等人提出基于双相同啁啾脉冲和超弱FBG的相位解调方法，在101.64 km光纤末端成功重建动态应变。
文章还介绍了基于FBG阵列的同时分布式动态与静态传感系统。Ai等人将外差检测与超弱FBG结合，通过低通和高通滤波同时获取温度和振动信息，最大响应频率可达100 kHz，温度精度为0.05 ℃。Li等人利用两个不同波长的激光器匹配超短FBG反射光谱的两侧边带，结合3×3耦合器相位解调，实现了30 ℃至80 ℃的温度测量和12.5 kHz声波检测。
在结论与展望部分，文章指出FBG阵列不仅可以提高反射信号强度，还可以获得反射光谱，从而实现分布式动态和静态传感。未来发展方向包括设计新型光栅阵列、结合不同解调算法以实现长距离、高精度和多参数准分布式传感，以及将敏感材料与超弱FBG阵列结合用于分布式化学传感。例如，聚酰亚胺涂覆的超弱FBG已经用于相对湿度传感网络，展示了在化学传感领域的应用潜力。文章最后强调，FBG阵列能够产生可控且稳定的反射，从而提高系统灵敏度和传感距离，因此在光纤传感器市场中占据越来越重要的地位。