基于双波长差分检测的光纤布拉格光栅高分辨率温度监测技术研究

本研究针对光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器在绝对温度监测中的技术瓶颈，提出了一种基于双波长差分检测的创新方法。通过比较FBG光谱中两波长脉冲对的反射强度，实现了0.028°C的高分辨率温度测量，并首次解决了该技术无法测定绝对温度的难题，为大型结构健康监测提供了实时、精准的解决方案。

　　

温度监测在工业设备、电力系统和建筑结构等领域具有重要应用价值，传统电子传感器易受电磁干扰且难以分布式布设。光纤布拉格光栅(FBG)因其抗电磁干扰、体积小等优势成为研究热点，但现有技术如光学频谱分析仪(OSA)存在分辨率限制，且主流差分检测法仅能测量波长相对变化而无法获取绝对温度值。这些缺陷严重制约了FBG在长期环境监测中的应用。

日本的研究人员Keiji Kuroda团队在《Optical Fiber Technology》发表论文，创新性地将双波长差分检测技术应用于FBG绝对温度测量。该研究通过精确标定DFB激光阵列的振荡特性和FBG参数，结合时间分割复用(TDM)技术，首次实现了0.028°C分辨率的同时测定温度变化与绝对温度值，为构建大规模高精度传感网络提供了新范式。

关键技术包括：1) 采用12通道DFB激光二极管(DFB-LD)阵列生成可调双波长脉冲对；2) 基于高斯函数拟合确定FBG的全宽半高(FWHM)参数；3) 建立反射强度对数差与波长偏移的线性模型；4) 通过5米长光纤连接两个FBG实现TDM复用。实验使用中心波长1550.1±0.1 nm、反射率1±0.5%的FBG样本，在温控精度±0.01°C的环境下验证系统性能。

【温度监测基于双波长差分检测】
理论推导表明，当激光线宽为δ函数且FBG反射谱呈高斯分布时，反射强度I_r(λ_1,2)与峰值波长λ_FBG存在确定数学关系。通过测量λ₁=1549.94 nm和λ₂=1550.26 nm两处的强度对数差，可直接推算绝对温度值。

【双波长脉冲对的生成】
调制1550 nm附近的DFB-LD与半导体光放大器(SOA)，产生脉宽5 ns、重复频率1 MHz的脉冲对。通过精确控制驱动电流，实现两波长间隔0.32 nm的稳定输出，功率波动小于0.5%。

【FBG特性表征】
高斯拟合显示FBG1和FBG2的FWHM分别为0.199 nm和0.235 nm。温度实验证实波长偏移系数为10.3 pm/°C，线性度R²>0.99，为理论模型提供关键参数支撑。

【FBG温度的实时监测】
TDM系统在1秒采样周期下，成功区分串联的两个FBG信号。当环境温度从25°C升至45°C时，系统测得温度标准差仅0.008°C，显著优于传统OSA方法。

该研究突破了差分检测技术仅能测量相对变化的局限，通过创新性的绝对温度标定方法，将分辨率提升至0.028°C。时间分割复用技术的应用证明系统可扩展至多FBG监测网络，满足大型基础设施长期监测需求。日本学术振兴会(JSPS)资助项目22K04128的支持表明该技术已获官方认可，未来在智能电网、航空航天等领域的温度监控中具有广阔应用前景。