光纤光栅具有抗电磁干扰、质量轻、抗腐蚀及体积小等传统电类传感器无法比拟的优点。随着光纤光栅复用技术以及光纤光栅制作工艺的发展，光纤光栅已从单点式传感发展为阵列式传感，光纤光栅阵列具有大容量、分布式传感特性，适用于机械装备的多点检测，但诸如航空发动机高速旋转齿轮和叶片的状态监测，以及液压管路的泄露检测都对光纤光栅阵列的解调速度有着极高的要求。而传统高速解调技术主要应用在光纤光栅单点式传感，商用高速解调仪还存在通道数和波长扫描范围有限等问题，均不适用光纤光栅阵列的高速解调。另一方面，基于不同类型光源的光纤光栅阵复用技术适用场景不同，如采用宽带光源的波分复用（Wavelength Division Multiplex，WDM）具有高信噪比优点，适用于齿轮、叶片等旋转器件的状态监测，采用脉冲光源的时分复用（Time Division Multiplex，TDM）具有大容量的优点，适用于液压管路等大型装备的分布式检测，采用线性扫频光源的光频域反射（Optical Frequency Domain Reflectometery，OFDR）适用于齿轮齿根狭小空间的高分辨率传感，但受制于各自的光源特性，很难将高速解调与不同光纤光栅复用阵列的优势进行结合。因此，研究可以满足不同光纤光栅复用阵列的高速解调技术，设计基于通用型激光器的高速解调集成系统并进行实际的应用研究，具有十分重要的现实意义。

基于以上问题，本文提出基于扫频激光器的TDM大容量全同弱光栅阵列的高速解调技术，通过设计连续扫频光时域反射解调方法，解决传统TDM由于使用脉冲激光器需要多次扫描轮询导致难以实现高速解调的问题，同时将傅里叶锁模（Fourier Domain Mode Locking，FDML）扫频激光器与不同光纤光栅复用技术相结合，不仅降低了系统成本，还实现了多复用光纤光栅阵列的高速解调。另一方面，通过对傅里叶锁模激光器的集成优化以及对高速传感信号的采集、处理及传输的设计，实现了高速光纤光栅解调系统的集成，并通过液压管路泄露检测与齿轮啮合应力监测，实现了高速光纤光栅阵列解调在大型机械装备的故障检测以及旋转类机械设备的状态监测的应用。本文主要研究工作包括：

1）研究扫频激光器及其优化设计。结合光纤激光、扫频激光器原理以及扫频激光器与光纤光栅解调相关的性能参数分析，搭建了傅里叶锁模高速扫频激光器，突破了传统扫频激光器的速度限制，通过对关键器件与输出特性的研究实现了适用于光纤光栅解调的高速、宽扫描范围的扫频光输出，进一步从傅里叶锁模扫频激光器光谱展宽的因素分析，进行了基于光谱线宽压窄的傅里叶锁模扫频激光器的优化，实现了120.99kHz扫频频率，44nm连续波长扫描，10.65×10⁶nm/s波长扫描速度，18.4pm周期平均线宽的扫频光输出。

（2）高速光纤光栅阵列解调技术的研究。研究将扫频激光器与TDM、WDM、TDM/WDM、OFDR光纤光栅阵列相结合的高速解调技术，在TDM大容量光纤光栅阵列解调中，提出连续光时域反射解调的新方法，实现了120kHz高速、70个大容量全同弱光栅阵列的解调；在WDM长距离光纤光栅阵列解调中，引入了一种识别与校准方法以避免系统波峰乱序问题的影响，实现了1000m长距离高速解调；研究WDM/TDM混合光纤光栅阵列高速解调方法，既保留了WDM无需空间间隔、信噪比高等优点又兼具TDM大容量的优势；研究了基于FDML扫频激光器的OFDR解调方法，实现了5mm高空间分辨率阵列的高速解调。

（3）研究高速光纤光栅解调系统的集成与优化。提出基于马赫-曾德尔干涉光拍频的校准方法消除激光器非线性扫描影响；建立基于单峰滤波器的驱动自适应调节方法校正了激光器的波长漂移；研究基于硬件信号处理的高速寻峰方法，减少了传感数据的冗余；研究传感信号的时钟拼接等效采样方法，实现了光纤光栅高分辨率解调；设计基于FPGA的硬件TCP/IP协议，传输速率满足了高速、大容量光纤光栅传感数据的同时传输的需求。实现了傅里叶锁模激光器的集成应用与高速信号的采集、处理及传输，集成系统的性能指标达到40kHz、4通道以及100个以上光纤光栅传感器的实时解调传输能力。

（4）高速光纤光栅解调的实际工程应用。分析负压波液压管路泄露的测量方法与信号解调频率、容量的要求，提出将高速光纤光栅阵列的解调应用在液压管路泄露检测，并构建了液压管路泄露检测平台，实现对液压管路泄露的检测与定位，定位误差为7.10%；提出齿轮啮合应力的光纤光栅监测方法，分析了啮合应力监测的光纤光栅的解调速度需求和旋转机械工作时光强抖动对解调的影响，提出将基于扫频激光器的高速光纤光栅解调应用在齿轮啮合应力监测平台，实现了2000rpm转速下对齿轮啮合瞬时动应变过程的完整测量。