CN102853858A - 一种光纤光栅传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大容量的光纤光栅传感装置，该光纤光栅传感装置使用反射型半导体光放大器作为光源和光信号选通器件，在不同频率的脉冲信号驱动下，反射型半导体光放大器分别与不同传感器构成共振腔，通过波长测量模块实现共振传感器信号的读取。它采用分时访问传感器的方式，解决了传统光纤光栅波分复用技术传感器数量受光源带宽限制的问题。由于采用共振腔技术，传感信号能够在腔内被放大，因此解决了传统时分复用技术传感信号信噪比较低问题。结合时分复用与波分复用的混合复用技术，将传感器进行分组，以并联、串联相互搭配的方式访问传感器组，大大增加了系统的传感器复用容量。
Description
技术领域
本发明涉及一种大容量低成本的光纤光栅传感系统。
背景技术
光纤光栅传感器是利用光纤纤芯材料的光敏特性，通过紫外光照射在纤芯形成折射率成周期分布的结构，在满足相位匹配的条件下，共振波长模式之间发生耦合从而产生波长选择性。光纤光栅的共振波长受温度和应变等外部环境的影响，因此它可以作为传感器通过波长变化感知外部环境参数变化，实现各种参数的测量。除了具有普通光纤传感器具有的重量轻、不受电磁干扰、灵敏度高、抗腐蚀等优点外，它还具有容易组网测量、大容量复用、波长解调等特点。
光纤光栅复用技术是构建光纤传感网络的基础，常见的光纤光栅复用技术有波分复用(WDM)、时分复用(TDM)、空分复用(SDM)以及它们的混合复用技术。目前这些复用技术存在构成传感系统的成本相对较高，系统容量有限，操作不方便等问题。光纤传感技术今后发展方向是低成本、高性能、大容量和网络化，因此增加系统复用传感器容量和降低光纤传感系统成本具有重大意义。
波分复用：各传感器占用一定的光谱范围，工作波长互不重叠，传感器的识别是根据波长范围来判断。波分复用技术复用的传感器数量由测量点的动态范围和光源带宽决定，常见的宽带光源带宽为40~60nm，有限的光源带宽限制传感器的数量，通常单个光纤上能实现15~20个传感器的复用。优点：传感器信噪比高；缺点：复用数量较少，传感器动态范围小，成本较高。
时分复用：此技术采用脉冲光源，各传感器工作在相同的波长范围，传感器的识别是依靠反射回信号的时间间隔。只需一个掩模板制作相同周期的低反射率光栅，传感器反射信号微弱。传感器数量不受光源带宽限制，每个传感器均可使用整个光源带宽。由于各传感器波长相同，因此会对其余传感器的信号部分反射而产生信号衰减，传感器越多，光信号衰减也越快。优点：成本较低，复用容量大，传感器动态范围大；缺点：传感器信噪比低。
空分复用：需要光开关切换通道，实现不同传感器阵列选择，由于光开关存在插入损耗，空分复用级联层次越多插入损耗越大，通道间的寻址时越长，系统配置复杂。优点：信噪比较高；缺点：系统复杂，成本较高。
目前光纤光栅传感系统主要以波分复用技术为主，最具代表性的是Micron Optics公司的光纤光栅传感系统，该系统采用波分复用技术与可调谐激光光源实现多通道的同时扫描，由于采用波分复用技术，每个通道传感器的数量和动态范围受光源带宽限制，在大容量光纤传感应用场合，需要多台系统同时工作或者采用光开关实现通道扩展，这种增加容量的方法导致传感系统过于复杂和昂贵。因此，结合各种复用技术的优点，构造具备系统结构简单、性能可靠、复用容量大的光纤传感系统是降低系统成本，推广光纤传感技术在各领域应用的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本和大容量的光纤光栅传感器的复用装置，解决当前光纤光栅传感系统成本较高，容量较小的问题。
说明书附图
图1为本发明一种光纤光栅传感装置的第一实施例的结构示意图。
图2为本发明一种光纤光栅传感装置的第一实施例的基本工作原理图。
图3为本发明一种光纤光栅传感装置的第二实施例的结构示意图。
图4为本发明一种光纤光栅传感装置的第三实施例的结构示意图。
图5为本发明一种光纤光栅传感装置的第四实施例的结构示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及效果，以下兹例举实施例并配合附图详予说明。
具体实施方式一
本发明一种光纤光栅传感装置包括一反射型半导体光放大器RSOA1、一脉冲信号发生器2、一波长测量模块3、一耦合器4、若干光纤、延时光纤6及一传感阵列7。
请参阅图1及图2，本发明一种光纤光栅传感装置的实施方式步骤如下：
一、利用可编程脉冲信号发生器2产生一个脉宽和周期可调的脉冲信号驱动反射型半导体光放大器RSOA1，反射型半导体光放大器RSOA1在脉冲信号驱动下发出频率、脉宽与脉冲信号对应的宽带光脉冲，光脉冲信号经过延时光纤6后进入传感器阵列7，所述传感器的反射率为1%-5%；
二、所述传感器阵列7由多个中心波长相同的低反射率传感器串联而成，各传感器之间间距为2-5米，且传感器与传感器之间用光纤连接；
三、所述宽带光脉冲在光纤中传播，当遇到传感器时部分信号被反射，被各传感器反射的信号依次到达反射型半导体光放大器RSOA1，设置脉冲信号的周期与光信号在其中一传感器和反射型半导体光放大器RSOA1之间往返时间相等时，该传感器信号能进入反射型半导体光放大器ROSA1并被放大，其它传感器的信号则无法进入反射型半导体光放大器RSOA1；
四、进入反射型半导体光放大器RSOA1的传感信号被放大后，经过耦合器4部分信号进入波长测量模块3，实现被选择传感器传感信号的测量。
反射型半导体光放大器RSOA1的控制输入端与脉冲信号发生器2的输出端连接；反射型半导体光放大器RSOA1的光纤输入/输出端与耦合器4的输入端相连。所述耦合器4为输出端为10:90分光比的耦合器，所述耦合器4分光比10%的端口与波长测量模块3连接，分光比90%的端口与延时光纤6的一端连接。所述延时光纤6的另外一端与传感器阵列7的第一个传感器连接。
所述波长测量模块采用基于CCD技术的光谱测量模块，或者基于边缘滤波技术的波长测量计。所述脉冲信号发生器2为采用FPGA可编程器件实现的脉宽和周期可调的模块。
请参阅图2，本发明的基本工作原理如下：脉冲信号发生器2产生一个频率可调的脉冲信号，当第一个脉冲施加到反射型半导体光放大器RSOA1时，反射型半导体光放大器RSOA1由于自激辐射（ASE）发出一个宽带光脉冲沿传感器阵列方向传播，当宽带光脉冲遇到各传感器时，部分光功率被反射，各传感器反射的光脉冲信号的波长对应该传感器的波长，被反射的传感信号依次到达反射型半导体光放大器RSOA1，其中，光信号到达传感器 
、、
、……
的时间分别为
、
、
、……
。当脉冲信号发生器2的周期与光脉冲信号在反射型半导体光放大器RSOA1和传感器
之间往返相等时，即脉冲发生器周期
时，则被传感器
反射的光信号到达反射型半导体光放大器RSOA1时，反射型半导体光放大器RSOA1处于导通状态，且传感信号
能进入反射型半导体光放大器RSOA1被放大和反射已再次向传感器阵列方向传播。此时反射型半导体光放大器RSOA1发出的光脉冲信号是由自激辐射（ASE）产生的宽带光脉冲和被放大的传感器信号
叠加而成。重复以上过程，由于本发明光纤光栅传感装置采用能对输入光信号放大18dB的反射型半导体光放大器RSOA1作为光源和光开关选通器件，传感信号
多次进入反射型半导体光放大器RSOA1被逐次放大至反射型半导体光放大器RSOA1的饱和输出，经过耦合器4部分传感信号进入光纤光栅波长解调模块，实现传感器波长的测量。传感器
和之间用光纤连接，光脉冲在二者之间的传播时间为，反射信号
、的时间差为。为了将传感器信号
、
分开，则脉冲信号的宽度满足：
。其它传感器反射的信号到达反射型半导体光放大器RSOA1时，由于脉冲信号周期与传感器往返时间不相等，此时反射型半导体光放大器RSOA1处于关闭状态，传感送出的光脉冲信号被吸收，所以实现了传感器S1的访问，进而可以得出光脉冲信号在传感器
、
、
、……与反射型半导体光放大器RSOA1之间往返时间分别为、
……、
。 将脉冲信号发生器2的周期调整到与各传感器往返时间相等，则可实现各传感器的访问。若传感器之间等间距，光脉冲在相邻传感器之间传播时间为
，则寻址各传感器的脉冲信号周期分别为：
、、…、
，通过改变脉冲信号发生器的频率则可实现对传感器阵列中所有传感器的访问。
具体实施方式二
请参阅图3，本实施方式与具体实施方式一不同之处主要在于：（一）本实施例进一步包括一阵列波导光栅AWG8，该阵列波导光栅AWG8连接在延时光纤6与传感器阵列7之间；（二）传感器阵列不同，该传感器阵列7由m组传感组并联而成。每组传感器内部均由n个中心波长相同的低反射率传感器构成，且传感器组之间的中心波长不同，各传感器组的波长处于阵列波导光栅AWG8各对应端口的输出波长范围内。
每组传感器与阵列波导光栅AWG8分光端的对应端口相连连接，且每组传感器与阵列波导光栅AWG8分光端的对应端口的之间连接的光纤长度均相等，各传感器组内部的传感器间距也相等。
反射型半导体光放大器RSOA1发出的宽带光脉冲经过阵列波导光栅AWG8时被分成m个波长不同的窄带光脉冲，经过阵列波导光栅AWG8的分光端分别进入各组传感器阵列。m个波长不同的窄带光脉冲在各组传感器阵列中传播，被各传感器依次反射后通过阵列波导光栅AWG8向反射型半导体光放大器RSOA1方向传播。同时到达反射型半导体光放大器RSOA1的传感信号由m个波长不同的传感信号构成，传感信号被反射型半导体光放大器RSOA1放大后经过耦合器4进入波长测量模块3，m个传感器的信号被测量。此实施实例中的波长测量模块3为基于CCD技术的光谱测量模块。
具体实施方式三
请参阅图4，本实施方式与实施方式一不同之处主要在于：传感器阵列不同。在本实施例中，所述传感器阵列7由m组传感器组串联而成，每组传感器组之间用延时光纤6连接，且每组传感器内部由n个中心波长不同的低反射率传感器构成。传感器组1、传感器组2、…传感器组m的访问采用时分复用的方式。
所述反射型半导体光放大器RSOA1发出的宽带光脉冲到达各组传感器后被依次反射，与实施方式一不同之处在于：脉冲信号发生器的脉宽较宽，反射型半导体光放大器RSOA1发出的光脉冲宽度可以同时照射每一组传感器内的所有传感器，所以到达反射型半导体光放大器RSOA1的传感信号由m个波长不同的传感信号构成。传感信号被反射型半导体光放大器RSOA1放大后经过耦合器4进入波长测量模块3，m个传感器的信号被测量。此实施实例中的波长测量模块3为基于CCD技术的光谱测量模块，能实现多个波长的同时测量。。
具体实施方式四
请参阅图5，本实施方式与实施方式一不同之处主要在于：本实施例进一步包括一1*M耦合器9，该所述1*M耦合器9连接耦合器及传感器阵列7之间；所述传感器阵列7由多个传感器组并联在所述1*M耦合器9而成，每组传感器内部由中心波长相同的多个低反射率传感器构成串联。所述各传感器组之间的中心波长可以相同，也可不同。所述每一传感器组均通过一延时光纤与所述1*M耦合器9相互连接，且所述各延时光纤的长度均不相等。传感器整列7中，所述延时光纤的长度必须满足如下条件：后一组延时光纤的长度大于前一组延时光纤的长度与前一传感器组长度之和，也即，延时光纤的长度要满足如下条件：
>
+
。其中
为第i-1组传感器的第一个传感器的输入端到最后一个传感器末端的光纤的长度。故有延时光纤
、
、……
产生的时间延迟造成各组传感器在不同的时间范围内被访问。此实施实例的波长测量模块采用基于CCD技术的光谱测量模块，或者基于边缘滤波技术的波长测量计。
综上所述，本发明一种光纤光栅传感装置100通过不同频率的脉冲信号驱动反射型半导体光放大器RSOA1与不同传感器构成共振腔，实现不同传感信号的读取。它采用分时访问传感器的方式，解决了传统光纤光栅波分复用技术传感器数量受光源带宽限制的问题，由于采用共振腔技术，微弱的传感信号能够在腔内放大，因此也解决了传统时分复用技术传感信号信噪比较低问题。结合时分复用与波分复用的混合复用技术，将传感器进行分组，以并联、串联相互搭配的方式访问传感器组，大大增加了系统对于传感器的复用容量。
以上所述的技术方案仅为本发明一种光纤光栅传感装置100的较佳实施例，任何在本发明一种光纤光栅传感装置100基础上所作的等效变换或替换都包含在本专利的权利要求的范围之内。
Claims (10)
1.一种光纤光栅传感装置，包括一脉冲信号发生器、一波长测量模块、一耦合器、若干光纤、一延时光纤及一传感阵列，其特征在于：该光纤光栅传感装置进一步包括一反射型半导体光放大器RSOA，所述传感器阵列由多个中心波长相同的低反射率传感器串联而成，各传感器之间间距2-5米。
2.一种光纤光栅传感装置，包括一脉冲信号发生器、一波长测量模块、一耦合器、若干延时光纤及一传感阵列，其特征在于：该光纤光栅传感装置进一步包括一反射型半导体光放大器RSOA及一阵列波导光栅AWG，该阵列波导光栅AWG连接在延时光纤与传感器阵列之间，该传感器阵列由m组传感器组并联在所述阵列波导光栅AWG而成，每组传感器内部均由n个中心波长相同的低反射率传感器串联而成。
3.根据权利要求2所述的光纤光栅传感装置，其特征在于：所述各传感器组之间的中心波长不同。
4.一种光纤光栅传感装置，包括一脉冲信号发生器、一波长测量模块、一耦合器、若干光纤、若干延时光纤及一传感阵列，其特征在于：该光纤光栅传感装置进一步包括一反射型半导体光放大器RSOA，所述传感器阵列由m组传感器组串联而成，每组传感器组之间用延时光纤连接，且每组传感器内部由n个中心波长不同的低反射率传感器串联而成。
5.根据权利要求1、2、4中任意一项所述的光纤光栅传感装置，其特征在于：所述耦合器4为输出端为10:90分光比的耦合器。
6.根据权利要求1、2、4中任意一项所述的光纤光栅传感装置，其特征在于：所述耦合器10%的分光端口与波长测量模块相连，分光比90%的端口与延时光纤环的一端连接。
7.根据权利要求1、2、4中任意一项所述的一种光纤光栅传感装置，其特征在于：采用能对输入光脉冲信号放大18dB的反射型半导体光放大器RSOA。
8.根据权利要求1、2、4任意一项所述的一种光纤光栅传感装置，其特征在于：波长测量模块采用基于CCD技术的光谱测量模块，或者基于边缘滤波技术的波长测量计。
9.根据权利要求1、2、4任意一项所述的一种光纤光栅传感装置，其特征在于：脉冲信号发生器为采用FPGA可编程器件实现的脉宽和周期可调的模块，脉冲最小宽度可达10纳秒。
10.根据权利要求1、2、4中任意一项所述的光纤光栅传感装置，其特征在于：所述传感器的反射率为1%-5%。
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