一、引言

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

二、動態(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)可測量的波長范圍和信號強度。當FBG反射波長超出光源光譜范圍或信號強度過低時，解調(diào)系統(tǒng)將無法準確測量。

（二）探測器性能

探測器的線性范圍和靈敏度決定了其能夠檢測到的光信號強度范圍。若FBG反射信號過強或過弱，探測器將出現(xiàn)飽和或無法響應的情況，影響解調(diào)精度。

（三）解調(diào)算法局限

傳統(tǒng)解調(diào)算法在處理大動態(tài)范圍信號時，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、動態(tài)范圍擴展方法

（一）光源優(yōu)化

采用寬譜光源或可調(diào)諧激光器，擴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，其光譜寬度可達幾十納米，能夠覆蓋多個FBG的反射波長。以下是一個簡單的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)設置

wavelength_range = [1500, 1600]  # 波長范圍（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）探測器改進

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

（三）解調(diào)算法優(yōu)化

采用先進的數(shù)字信號處理算法，如小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡等，對解調(diào)信號進行處理。這些算法能夠有效抑制噪聲、補償非線性失真，提高解調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)范圍和精度。

四、實驗驗證

搭建FBG傳感網(wǎng)絡實驗平臺，采用優(yōu)化后的光源、探測器和解調(diào)算法。通過改變FBG的反射波長和反射信號強度，測試解調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)范圍。實驗結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化后，解調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)范圍得到了顯著擴展，能夠準確測量更大范圍的FBG反射信號。

五、結(jié)論

本文針對FBG傳感網(wǎng)絡波長解調(diào)系統(tǒng)動態(tài)范圍受限的問題，提出了光源優(yōu)化、探測器改進和解調(diào)算法優(yōu)化等擴展方法。通過實驗驗證，證明了這些方法的有效性。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，可以進一步探索更先進的擴展方法，提高FBG傳感網(wǎng)絡在復雜環(huán)境下的測量能力，推動其在更多領(lǐng)域的應用。