一、引言

光纖光柵（FBG）傳感網(wǎng)絡(luò)憑借其抗電磁干擾、靈敏度高、可分布式測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、航空航天、石油化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，F(xiàn)BG傳感網(wǎng)絡(luò)的波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍有限，限制了其在復(fù)雜環(huán)境下的測(cè)量能力。因此，研究波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、動(dòng)態(tài)范圍受限原因分析

（一）光源特性

現(xiàn)有光源的光譜寬度和功率穩(wěn)定性限制了解調(diào)系統(tǒng)可測(cè)量的波長(zhǎng)范圍和信號(hào)強(qiáng)度。當(dāng)FBG反射波長(zhǎng)超出光源光譜范圍或信號(hào)強(qiáng)度過(guò)低時(shí)，解調(diào)系統(tǒng)將無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量。

（二）探測(cè)器性能

探測(cè)器的線性范圍和靈敏度決定了其能夠檢測(cè)到的光信號(hào)強(qiáng)度范圍。若FBG反射信號(hào)過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱，探測(cè)器將出現(xiàn)飽和或無(wú)法響應(yīng)的情況，影響解調(diào)精度。

（三）解調(diào)算法局限

傳統(tǒng)解調(diào)算法在處理大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)時(shí)，容易出現(xiàn)量化誤差和非線性失真，降低了解調(diào)系統(tǒng)的性能。

三、動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法

（一）光源優(yōu)化

采用寬譜光源或可調(diào)諧激光器，擴(kuò)大光源的光譜范圍和功率輸出。例如，使用ASE（放大自發(fā)輻射）光源，其光譜寬度可達(dá)幾十納米，能夠覆蓋多個(gè)FBG的反射波長(zhǎng)。以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的Python代碼示例，用于模擬ASE光源的光譜特性：

python

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

# 模擬ASE光源光譜

def ase_source_spectrum(wavelength_range, spectral_width, power_level):

   wavelengths = np.linspace(wavelength_range[0], wavelength_range[1], 1000)

   spectrum = power_level * np.exp(-((wavelengths - (wavelength_range[0] + wavelength_range[1]) / 2) ** 2) / (2 * (spectral_width / 2.355) ** 2))

   return wavelengths, spectrum

# 參數(shù)設(shè)置

wavelength_range = [1500, 1600]  # 波長(zhǎng)范圍（nm）

spectral_width = 50  # 光譜寬度（nm）

power_level = 1  # 功率水平

# 生成光譜

wavelengths, spectrum = ase_source_spectrum(wavelength_range, spectral_width, power_level)

# 繪制光譜

plt.figure()

plt.plot(wavelengths, spectrum)

plt.xlabel('Wavelength (nm)')

plt.ylabel('Power (a.u.)')

plt.title('ASE Source Spectrum')

plt.show()

（二）探測(cè)器改進(jìn)

選擇具有高線性范圍和寬靈敏度范圍的探測(cè)器，如雪崩光電二極管（APD）。同時(shí)，采用自動(dòng)增益控制（AGC）技術(shù)，根據(jù)輸入信號(hào)強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)整探測(cè)器的增益，確保信號(hào)始終處于探測(cè)器的最佳工作范圍內(nèi)。

（三）解調(diào)算法優(yōu)化

采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理算法，如小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，對(duì)解調(diào)信號(hào)進(jìn)行處理。這些算法能夠有效抑制噪聲、補(bǔ)償非線性失真，提高解調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和精度。

四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建FBG傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用優(yōu)化后的光源、探測(cè)器和解調(diào)算法。通過(guò)改變FBG的反射波長(zhǎng)和反射信號(hào)強(qiáng)度，測(cè)試解調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，解調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍得到了顯著擴(kuò)展，能夠準(zhǔn)確測(cè)量更大范圍的FBG反射信號(hào)。

五、結(jié)論

本文針對(duì)FBG傳感網(wǎng)絡(luò)波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍受限的問(wèn)題，提出了光源優(yōu)化、探測(cè)器改進(jìn)和解調(diào)算法優(yōu)化等擴(kuò)展方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了這些方法的有效性。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，可以進(jìn)一步探索更先進(jìn)的擴(kuò)展方法，提高FBG傳感網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜環(huán)境下的測(cè)量能力，推動(dòng)其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。