光纤传感器(OFS)虽然具有较好的技术性能，但其成本相对高一些。一个解决方法是用多个测点取代单个测点，即在空间分布多个测量点，或在由一个读出单元服务的同一线路布置多个独立的传感器，来达到增加测量点数量的目的。这样，复用式或分布式光纤传感器成本就会降低，它只相当于总OFS成本的一小部分。目前，已研究出几种可行的方法来实现多路复用或分布式光纤传感器的结构。
多路复用式光纤传感器技术
光的多路复用技术实现复用的方式，除有常用的时分、波分复用外，还有空分和相干性分光纤传感器。
1.时分复用式光纤传感器技术
时分复用OFS如图5-19所示，它被称为梯形结构，包括一个脉冲光源和一系列用耦合器连接到公共光纤上的传感器，公共光纤用于供给传感器信号以及收集返回信号。脉冲丁的时间比正在处理中的那个传感器经过的外部延迟2L/c短得多。在这一条件下，每一个传感器在一个严格定义的时间段的脉冲下降沿开始响应，所以接收器可以对多路输出响应。为了区分从分离的传感器返回的脉冲，脉冲宽度r应比每个附加段的延迟2〃c短。传感器之间的附加的光纤长度可被加长，以达到匹配条件。
每一个耦合器分一部分功率到它的传感器上。为了等效地响应，第n个传感器的耦合因子应被设定为Kn=1/(N-n+1),这里N是传感器的总数。
这样，第一个传感器有ki=l/N,剩余的功率为1-1/N；第二个传感器有K2=1/(N-1),取出输入功率的(1-1/N)/(N-1)=1/N,剩余的功率为(1-2/N);第三个传感器有k3=l/(N-2),并取走(1-2/N)/(N-2)=l/N。这样，继续到第N个传感器有KN=1,取走输入功率的1/N。
图5-19OFS的时分复用技术
在光返回的路径上，被传送到公共光纤上的功率值是相同的，即为供给总功率的1/N。因此，就寻址独立的传感器而言，复用操作引入的外部损耗为1/N²。考虑到光源的功率和接收器的灵敏度，损耗限制了可被多路选择的传感器数目，通常最多为N=15〜20。
目前，时分复用式光纤传感器方案己被用于温度、应变、声发射等测量，特别是与海洋有关的应用的偏振，以及干涉型传感器中。
2.波分复用式光纤传感器技术
波分复用技术包括为每一个独立的传感器分配波长的狭缝，以及使用频率可调的窄带光源读出复合输出。为了适用于级联，传感器需为频率选择性的，响应可以为透射式也可以为反射式，并能以反射或透射式方式通过，而不改变输出带的成分。光纤布拉格光栅（FBG）可满足上述需求。FBG是一种纵向的光栅，通过在UV线下曝光，沿光纤轴形成折射率的周期变化Ano若,是光栅的空间周期，布拉格条件2汕=而决定了谐振波长而。对于那些波长与而接近的光，该器件可将进来的光线反射回去，而偏离谐振（部而）的光，将不被改变地通过FBG,因而可将FBG可看成透射式的带阻滤波器或反射式的带通滤波器。
OFS的波分复用技术如图5-20所示。
图5-20OFS的波分复用技术
图5-20表示一个FBG,它反射接近于谐振波长而的光而透射其余的光。波分复用OFS以级联许多不同波长而的FBG形式排列，为了读出每一个传感器的信号，使用了一个可调谐的激光光源。因为每一个FBG（除了被选择的那一个）都是透明的，而被激光光源寻址的那个传感器将产生与其共振频率对应的峰值反射的响应。共振波长的偏移取决作用于FBG上的温度T和应变ε,如果要避免测量ε时T的（或反之）交叉传感，应使用一对FBG,使其对丁和旗有不同的灵敏度。通过将测量结果组合在两方程组中，可解出两被测量（T和ε）。
在图5-20中，使用了昂贵的可调谐激光光源，如果只有这种可能性，这种OFS就很难离开实验室。因此，希望能改变波分复用读出思想，其解决方法之一如图5-21所示。
图5-21在测量和参考链中使用两组FBG的波分复用OFS
在图5-21中，是在测量链和参考链中使用两组FBG的波分复用OFS。相应的OFS名义上具有相同的谐振波长如，从测量OFS回来的信号被引入参考OFS以比较其响应，用压电激励器（PiezoActuator）调制参考λB，使得我们可以对每一个传感器的响应信号进行分离。
这里，使用了一个宽带光源照射传感器，并在传感器链中复制在测量链中的每一个FBG,名义上它们有相同的谐振波长而λB。
根据被测量，第k个传感器其谐振波长偏移△λBk,为了同时测量所有的△λBk的值，对参考链中每个第K个FBG施加合适的压力，以产生与测量链中对应FBS相同的偏移这可用压电激励器实现，即PZT厚片使在其上的FBG光纤伸长。为了对所有传感器独立地操作，每一个第k个压电器被不同电调制频率fk激励。光电探测器的输岀在中心为皆振的k带被滤波，且在每一个带找出第K个FBG传感器的最大响应。
3.空分复用式光纤传感器技术
空分是用开关将每=个独立的传感器与读出单元连接，一个紧接着一个依次读出。由于成本的原因，开关通常为机械式旋转器件，从一个传感器转换到另一个传感器的操作时间约需几秒钟。为了提高响应速度，可能要使用更复杂的方法，如开始用在LiNbCh或在硅上面的硅石（SoS）上制作的马赫-泽德波导干涉仪，有两路开关，将输入通道连接到两个输出中的一个，由作用在控制电极上的电信号激励。通过N步级联，可实现1x2N个开关阵列。显然，当N增加,成本便大幅度降低。但实际上是有限度的，通常，N≤4。
4.相干性分复用式光纤传感器技术
相干性分复用技术是近期被提出的一种有趣的技术，可以认为它是白光干涉仪相干辅助渎岀概念的推广。如图5-22所示，可以利用每个OFS中两臂的不同的不平衡，实现几个干涉仪（如马赫一泽德尔干涉仪）的多复用。将它们都连接在双链上，一个链用于传感，另一个用于读出。图中，从低相干度光源发出的光，经过由臂长不平衡的不同的干涉仪组成的级联。在读出部分，耦合器将光分到对应序数的干涉仪中，这些干涉仪是传感部分臂长不平衡的复制。通过干涉仪传感和读出的交叉路径返回有用的信号。
在干涉仪中，使不平衡远大于相干长度Lc，即Lk-lk>>Ic,另外让相邻的传感器之间的不平衡也比相干长度大，即Lk-Lk-1>>lc。对于每一个的探测，例如第k个传感部分，发现信号是由通过干涉仪以不同路径传输的许多场的贡献叠加而成的。除了以相交形式通过对应的k的两路即OFSk和Rk外，所有的都不平衡且远大于相干长度/c。而对应k的两路分别为Lk(ofs)+Lk(R)和Lk(OFS)+lk(R),且在别的干涉仪中通过的路径相同。因为只有在合适的干涉仪中才会返回周期振动，所以可同时读所有复用的传感器。相干性是复用技术巧妙解决问题的关键，但其缺点是损耗太严重。
图5-22相干性分复用的OFS示意图
首先，通过像时分方案(图5-19)那样选择kn=I(N~n+1),使各通道的振幅相等，这样引起的损耗为1/N,此外，对于传感部分的每一个干涉仪，由于无用的端口浪费因子为2,额外增加了2N衰减。实际上，除非引入昂贵的光学放大器，否则N很难超过4。
总之，在设计一个新的系统时，只要有可能减少每点的成本，就应考虑复用技术这一思想。但无论怎样，阵列的总成本很高，因为随着N的增加其复杂性也增加，所以实际上点数的最大值也有限制。
分布式光纤传感器技术
1.分布式光纤传感器的基本概念
如果能够读出一定距离分布的光纤的光学参数，那么每分布间隔就定义一个独立的传感器，用于测量点的传感器就是一个分布式传感器。用于传感的绝大部分光学参数是与位置有关的，虽然是分布式传感器，但通常对由被测量影响的读岀的光学参数取平均或积分。
从应用的观点出发，分布式传感器与基于传统技术的传感器相比，有一个决定性的优点，即它们可被看成复用传感器的极端形式。在复用传感器中，一个读出仪器服务于任意大量独立的传感点。分布式传感器每点的成本实际减少为1/N。更重要的是，我们能研制具有大量点数的传感器，其点数比复用传输的传感器多得多。这一特点用传统技术无法替代，且在应用中具有很大优势。
在分布式传感器中，可以远距离寻址光纤并取得参数，从而得知被测量光纤段的距离，以及通过一光学参数和一读出结构而读出被测量。一般，被测量为应变和温度，而一般光学参数为强度以及在独立传感点散射光的SOP。
2.用于分布式损耗传感的OTDR方案
用于分布式传感器寻址的方法有好几种，这些方法分为时域、频域及相干域。时域方法容易被用于传感，因为它利用了在光纤通信中研究出的仪器和测量技术来远距离测量沿光纤线路的损耗，这样的衰减分布测量的仪器被称为光时域反射仪（OTDR）。
OTDR从OFS早期就被用在各种光纤中测量应力和温度。最初测量的相互作用机制在测量局部应力时是微弯曲，测量温度时是瑞利散射的温度系数。然而在普遍的硅石光纤中这两种效应都很小，所以使用了特殊光纤（液芯的或掺稀土元素的）试图提高灵敏度和分辨率。后来,通过改变OTDR的基本方案而不是光纤本身来提高其性能。一种是偏振光时域反射仪（POTDR）,通过它以光纤双折射可得到距离分布式的SOP的测量。因为双折射对作用在光纤上的压力很敏感，所以POTDR对远距离探测以及确定光纤中或管道中（如与光纤浇注在一起）的机械应力的位置是一个强有力的工具。
用于分布式损耗传感的最基本的OTDR方案，如图5-23所示。
图5-23用于分布式损耗传感的最基本的OTDR方案
在一分布式光纤传感器中，某位置后向散射功率被OTDR读出。用于寻址的光学脉冲持续时间为决定了测量的空间分辨率为ctp/2n，即实际传感元尺寸的大小。后向散射信号看起来与脉冲激光雷达中作用一样，探测后，从分布的衰减和后向散射得到因变量，从而计算信号的对数。与脉冲激光雷达LIDAR的思想类似，OTDR利用合适波长的短脉冲源来寻址光纤，波长选在光纤窗内（850nm>1300nm或1500nm）以使衰减最小，且覆盖范围在最大值处。
通常，半导体激光器由快速电流脉冲驱动，出射峰值功率为几十mW的脉冲激光。在光源后放置附加光学放大器，并用光学隔离器反射来自光纤的光以保护光源。如脉冲激光雷达L1DAR那样，脉冲持续时间TP决定了OTDR测量的空间分辨率。
如果探测器的响应时间7比脉冲持续时间短，即T«TP,则分辨率由式△z=ctp/2n给出，这里n~1.5,是光纤的有效折射率。约10ns的脉冲时间就很容易得到81m的分辨率。Az也代表返回信号被平均的长度，所以也是分布式OFS提供的单元传感器的等效长度。
沿光纤传输的功率随着距离z呈指数衰减（即10az,这里a是dB/km衰减）且obsdz是光纤在Z处长度为dz单元产生的后向散射。后向散射系数Obs（Z）取决于光纤材料及被测量和光纤的相互作用。后向散射的能量在返回到光源的过程中先到达光纤耦合器，有一半的能量分出到光电二极管，被探测的输出信号经过对数转换，结果丄（。给出与时间有关的衰减a和后向散射obs。釆用一般的光源和测量时间，OTDR可能分辨10idB的衰减，但如果这一分辨率是与有测量意义的温度和应变范围对应的话，则需要特殊的光纤，或需选择其他不同的光学参数如偏振。利用具有人=1500nm的普通单模光纤的POTDR,一般可得到的灵敏度约为100με的应变。
3.用喇曼和布里渊滞弹性散射同时实现应变和温度的分布测量
提高性能的另一方法是用不同于通常与损耗有关的瑞利-格兰弹性散射的另一种散射。喇曼和布里渊滞弹性散射提供了所需的机制。这里必须解释一下声子辅助的散射，在相互作用时引入一种虚拟能级，如图5-24所示。
图5-24具有斯托克斯和反斯托克斯的滞斯托克斯和反斯托克斯弹性散射光谱
由图5-24可看出，斯托克斯和反斯托克斯的峰值位于弹性散射的非常大的瑞利峰值两边，频移△v取决于散射类型。由于这一新能级，由散射产生的光获得或失去的能量为所以与散射能级对应的谱线被Esc从中间的瑞利-格兰(或弹性散射)线分为两条线，上下频率线分别称为斯托克斯或反斯托克斯线。
拉曼和布里渊散射是以它们相互作用的声子能量区分的。拉曼效应解决的是相对高能的光声子，所以在硅石中△VR=13.2THZ(或△λR≈100nm)。这样大的频率分离使得它较容易将弱的拉曼线从非常大的瑞利散射线中分出来，这在研读出仪器上无疑是一个优势。布里渊效应处理的是声子且频率分离很小(△VR≈llGHz,或△λR≈0.08nm),所以为分辨这些线需要窄线宽激光器和严格挑选的滤波器。
滞弹性散射的一个有趣的特征是与温度有清晰的和可重复的变量关系，而温度与斯托克斯或反斯托克斯线的相对振幅有关，这种关系可由下式给出。
命/九=(4/AAS)4exp(-hc/AkT)(5-23)
拉曼OTDP的研制可从作用在光电探测器上的后散射光的可分辨的波长测量开始,通过插入合适的光学滤波器以选出斯托克斯线。通过测量拉曼线的振幅，可计算出温度T.一个基于拉曼线比率测量的典型的分布式传感器在一个1m长的单元上可分辨1°C,这1m长的单元位于总的多模光纤的10km处，所用光源峰值功率约为500mW,且布=10ns。
在应用中，如果仅需测量温度的分布，那么无疑将选择基于拉曼的方法，因为它的信号很强，且容易被分出来。然而用布里渊线，除了得到温度变量外，还可以从应变△/〃测量频率变化量△VB,虽然△l/l很小，但是可测量的量，因为没有扰动的AVB也很小。该变量可被写作△VB≈△VBo+ζ△l/l。在硅石光纤中，应变系数会ζ≈50kHzμε。
理论与实践已经证明，基于布里渊散射的实验装置能同时实现应变和温度的分布测量，它在15km长的光纤上，得到的分辨率约为4°C,△l/l≈300με。
