准分布式光纤光栅传感网络具有灵敏度高、响应速度快、方便波长解调、耐腐蚀、抗电磁干扰等特点，已经在工程中获得广泛应用。但在诸如复杂结构监测、火灾报警、周界安全等重大工程领域，要求传感网络的监测点多达上千个，传统的组网方式面临技术和成本的双重挑战，开发大规模光纤光栅传感网络的需求尤为迫切。
波分复用（WDM）和时分复用（TDM）技术是目前扩展网络容量的主要方法，但受带宽及噪声的限制，复用光栅的数量只有数十个。诸如频分复用(FDM)、码分多址（CDM）等技术相对复杂，且复用能力也十分有限。近年来，具有大规模复用潜力的弱光栅成为研究的热点。但采用常规串行熔接构建弱光栅阵列，接点累积损耗大，可靠性差，严重限制了传感阵列的规模。与此同时，弱光栅反射信号强度低，信号分离困难，如何实现对大规模弱光栅阵列快速查询也是业界公认的难题。国内外相关科研团队针对上述问题进行了多年的研究，但进展缓慢。
本文针对大规模光纤光栅传感网络中光栅阵列构建及查询的技术难题，研究了光栅阵列复用和制备的相关理论，采用在线刻写技术制备超弱光栅，通过时分/波分混合复用构建大规模光纤光栅阵列；提出了光栅阵列相敏查询方法，研制了大规模光栅阵列相敏查询系统及超弱光栅阵列质量检测系统，解决了大规模光纤光栅传感系统构建的技术瓶颈，并获得初步应用。
本文的主要研究内容及结果如下：
1、分析了光纤光栅阵列的复用理论，重点研究了全同超弱光栅TDM阵列的特性，提出采用超弱光栅混合复用方法构建大规模传感阵列。研究表明：采用-35dB以下的超弱光栅构建大规模光栅阵列，可有效降低串扰，同波长光栅复用数量可达到1000个；采用TDM+WDM分段混合复用，单根光纤上串行复用光栅的数量有望达到数千个。
2、分析了相位掩模法制备光栅的基本理论及关键技术，采用高掺锗光纤、硼锗共掺光纤、普通光纤在线制备弱光栅阵列；分析比较了三种光栅阵列的制备效果，遴选出适用于大规模光纤传感网络要求的最佳制备方案。实验结果表明：在普通光纤上刻写的超弱光栅阵列具有反射率低、传输损耗小、性价比高的特点，更符合大规模组网要求。对超弱光栅阵列进行高低温循环、老化和温度传感实验表明超弱光栅具备良好的传感特性。
3、研究了周期性脉冲入射条件下大规模光栅阵列的相敏查询方法，构建了相敏查询的理论模型，解析了查询过程及高精度定位的机理。对相敏查询系统的功率预算、多脉冲串扰、消光比等进行了分析；研制了高性能的SOA电光调制模块；采用双SOA电光调制模块构建了1310nm波段相敏查询系统，并开展了实验研究。结果表明：相敏查询方法可有效分离大规模光栅阵列中的单光栅反射信号；基于双SOA的相敏查询系统可实现对平均反射率-43dB超弱光栅阵列的查询，实验测试结果与理论分析基本吻合。
4、研制了1550nm波段大规模光纤光栅高速查询系统。通过引入高速CCD解调技术，配套开发光源、脉冲EDFA放大器和高性能脉冲信号发生器，采用Labview软件协调控制光栅的查找和解调，实现对大规模光栅阵列的高速查询。系统的查询速度达到100个/秒，空间分辨率达到2m，可检测到-53dB的超弱光栅和1000Hz以下的振动信号。将该系统应用于火灾模拟实验研究表明：系统的响应速度、分辨率、准确性基本达到火灾安全监测的要求，具有良好的工程应用前景。
5、研究了光栅阵列制备质量的在线检测方法及其关键技术。该方法以端面或标准光栅的反射谱为参照，采用相敏查询技术分离光栅阵列中单体光栅的反射信号，通过对比分析，实现对超弱光栅反射率、峰值波长、谱形等参数的检测，反射率测量误差小于0.5dB，光栅定位精度小于0.1米。
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