CN102901525B

CN102901525B - 超大容量时分波分光纤光栅传感系统及其查询方法

Info

Publication number: CN102901525B
Application number: CN201210390000.8A
Authority: CN
Inventors: 姜德生; 罗志会; 文泓桥; 郭会勇
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Anhui Longlian Intelligent Photoelectric Co ltd; Wuhan Institute Of Technology Industry Group Co ltd
Priority date: 2012-10-15
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2032-10-15
Also published as: CN102901525A

Abstract

本发明涉及一种超大容量时分波分光纤光栅传感系统及其查询方法。该系统，由宽带光源、调制模块、环形器、布拉格光纤光栅传感阵列、取样模块、波长解调仪和数据处理计算机组成；调制模块和取样模块各包括一个SOA高速光电开关，并受同一信号发生器的不同通道驱动，两路驱动脉冲之间存在相位差。布拉格光纤光栅传感阵列可以由全同光纤光栅或多波长光纤光栅构成。本发明通过采用时分复用和波分复用相结合的技术可以在一根光纤上刻写几万个光栅，具备系统容量大、响应速度快、扩展性好、灵活性高、稳定性好、成本低等特点，并可进行动态、静态同时测量，能很好的满足物联网对信息容量的需求。

Description

超大容量时分波分光纤光栅传感系统及其查询方法

技术领域

本发明属于传感技术领域，具体涉及一种超大容量时分波分光纤光栅传感系统及其查询方法。

背景技术

光纤传感器具有防火防爆、耐腐蚀、抗电磁干扰等特性，具有比其它传感器更加广阔的应用范围。近年来，随着半导体光电子技术的不断发展，光纤传感器的研究和应用备受关注。现存的大容量分布式光纤传感技术主要采用光时域反射技术（OTDR），包括利用拉曼散射（专利号01124438.0“分布式光纤温度传感器系统”）、布里渊散射、瑞利散射等不同的方法。基于OTDR技术的光纤传感系统虽然适合分布式测量，但是光纤散射光信号十分微弱，例如拉曼散射的光信号约为入射光的亿分之一，这样弱的光信号使得信号的检测和处理变得很困难，需要对测量数据多次平均来提高测量精度，信号处理非常复杂，实时性差，系统造价昂贵，在很多领域的应用受到限制。

光纤光栅传感技术采用数字式测量技术，除了具备光纤传感器的一般有优点外，还具有精确度高、稳定性好、不易受外界各种因素的干扰等特点。常规的光栅传感系统多采用波分复用方式，不同的光栅之间，其布拉格中心波长必须留有足够的间隔，不同点的光纤光栅布拉格波长间隔一般为2nm；由于光源带宽通常只有40nm左右，因此，该系统中能够复用的探头数量非常有限，远远不能满足实际的要求。编码光纤光栅（专利号200310111529.2“大容量编码式光纤光栅传感监测系统”）、分组光纤光栅等技术被用于扩大传感系统的容量，由于需要在同一位置刻写多组光栅，或对光栅波长及位置有严格要求，采用上述方法构建的传感系统结构复杂，对系统容量的扩展有限，且易受环境影响，在应用中受到诸多限制。近年来，基于时分复用的查询技术重新进入人们的研究视野，传统方法中大多采用直接调制光源（专利号201110031508.4“基于时分复用和匹配光纤光栅技术的准分布式传感网络”）来获取光脉冲，但大多数光源自身的结电容大，直接调制特性差（例如SLED直接调制脉宽50ns以上），加上用电延时技术来控制和选择ns级的光脉冲（专利号201110326745.3“基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法及系统”），并同时检测多个光栅反射的光脉冲串，时域分辨能力差，脉冲之间串扰严重。高速电路在ns级时间内既要完成反射信号分离，又要进行信息处理，现有电路技术实现困难，系统复杂且实时性能差，造价昂贵，未见相关应用的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种超大容量时分波分光纤光栅传感系统及其查询方法。该发明的系统显著扩展光纤光栅传感系统的容量，提升查询速度和系统的灵活性，稳定性好。

本发明解决上述技术问题所采用的方案如下:一种超大容量时分波分光纤光栅传感系统，由宽带光源、调制模块、环形器、布拉格光纤光栅传感阵列、取样模块、波长解调仪和数据处理计算机组成；所述的宽带光源提供宽谱的连续光功率信号；宽带光源连接调制模块，调制模块输出的光信号通过环形器耦合进布拉格光纤光栅传感阵列；所述的环形器的另一个端口接取样模块；取样模块连接波长解调仪，波长解调仪用导线与数据处理计算机连接；

其中，所述的调制模块由第一SOA高速光电开关和信号发生器构成，对光源信号进行调制并放大，调制输出的光脉冲宽度小于20ns；

所述的取样模块由第二SOA高速光电开光和信号发生器构成，以ns级开关速度对反射回来的光脉冲在时域内进行选择，并对允许通过的光信号进行放大；

所述的布拉格光纤光栅传感阵列由多个低反射率（如小于1%）的光纤光栅构成，其中心波长相同或者不同。

所述的信号发生器的两个输出端口分别与第一SOA高速光电开光、第二SOA高速光电开光连接；信号发生器的控制端口和数据处理计算机之间用导线连接。

所述的信号发生器产生两路耦合的脉冲信号，第一路输出给第一SOA高速光电开关，第二路输出给第二SOA高速光电开关，通过调节第二路脉冲信号对第一路脉冲信号的相位差，使取样模块分段采集光纤上不同位置的光强反射信号。

所述的通过调节第二路脉冲信号高电平的宽度，控制第二SOA高速光电开关打开的时间，调节取样模块采集光纤上反射区域的长度。

本发明的超大容量时分波分光纤光栅传感系统的查询方法，通过在光纤的不同位置布置全同光栅构建时分光纤光栅传感系统；通过在光纤的不同位置分组布置不同反射波长的光栅构建时分波分光纤光栅传感系统，扩大传感系统容量。

本发明的超大容量时分波分光纤光栅传感系统的查询方法，通过调节第一SOA高速光电开关或第二SOA高速光电开关）的开关增益，减小对光纤光栅反射率的要求，增加光纤光栅传感阵列的个数，扩大传感系统的容量。

本系统的工作过程如下：宽带光源输出的连续光经过调制模块调制后，形成放大的宽谱光脉冲信号，经过环形器耦合进入布拉格光纤光栅传感阵列，反射回来的光脉冲信号进入取样模块，取样模块根据设定的相位差，以ns级速度控制第二SOA高速光电开关打开和关断，以及保持打开状态的时间长度。当SOA打开时，经过的反射光脉冲被允许通过并获得放大；反之，对反射脉冲阻止光信号通过。数据处理计算机根据反射光信号的强度判定是否存在布拉格反射，确定布拉格反射后再根据脉冲之间的相位差计算光纤光栅的位置；波长解调仪对取样信号进行波长解调，检测对应光栅的波长偏移量，解调当前光栅所在位置的被测物理量。

光纤光栅位置检测的原理如下：

假定信号发生器2路信号的相位差Φ，此时检测到满足要求的布拉格反射光信号，则对应的反射光栅距离第一SOA高速光开关端口的距离为：

L = \frac{c * k * Φ}{2 * n}

其中k为相位常数，与脉冲的周期相关。

光栅之间的间隔距离由调制脉冲和取样脉冲的宽度决定，脉冲的宽度越宽，要求光栅之间的间隔距离越大，假定光传播速度c，光纤纤芯的折射率n=1.5，调制脉冲宽度t1，取样脉冲宽度t2，当则实际取样长度：

L = \frac{(t_{1} + t_{2}) * c}{2 n}

例如，采用单激光脉冲照射，调制脉冲宽度30ns，取样脉冲宽度20ns，则实际取样长度为5m，即光栅之间的理论间隔距离需大于5m，否则两个相邻光栅之间的反射光将会出现串扰。由于单脉冲在行进过程中，非相邻光栅之间的反射存在较大的时延，不会在取样期间产生串扰，因此，只要设计的光栅间隔大于实际取样长度，即可完全避免多光栅反射的串扰。由于SOA具有极高的响应速度，能产生10ns以下的光脉冲，光栅之间的理论间隔距离只需大于2m，系统便能实现无串扰查询，这与目前OTDR的距离定位能力相当，能满足各种光纤光栅传感系统的要求。

在不考虑光栅之间反射串扰的情况下，同一光纤上串联光栅个数由反射率决定。假定i个全同光栅串联，每个光栅的反射率为R(λ)，则.第i个光栅反射的光强为：

I_ri(λ)=(1-R(λ))^2(i-1)R(λ)I₀(λ)

反射率降低，可串联的全同光栅个数将急剧上升。当R(λ)=1%时，光强下降当原来的0.001%时，光栅的最大个数为344个；当R(λ)=0.1%，光强下降当原来的0.001%时，光栅的最大个数为2302个，联合波分复用技术（假定单光纤上复用20个波长），同一根光纤上可以刻写46040个光栅。

分析相位与时延的映射关系，对现有数字移相技术进行改进，可实现通过调节移相器产生的相位差Φ，来实现脉冲上升沿之间的任意时延，延时长度调节灵活，精度高，可以达到ns级精确延时，能很好满足高速光电系统的要求，摆脱了传统时延思想的束缚，克服了因延时误差大导致系统精度低的障碍，真正实现光时域信号的实时采集。

光信号在该系统中传播时，最大的背景噪声是全同光栅的反射串扰、瑞利散射（散射率约为百万分之一）和SOA的增益噪声。由于第二SOA高速光开关是窄脉冲采样，对经过第一SOA高速光开关后入射的单脉冲信号，采样时间点严格光纤上空间某点的位置，其它点反射的光信号因为空间距离的传输时延，不在采样脉冲范围内，不构成串扰。瑞利散射是可以在采样点产生干扰，相对于弱光栅的反射而言，但其幅度非常小，可以忽略。此外，SOA对信号放大时具备较好的模式竞争特性，这对具有波长选择性反射的光栅非常有利，第二SOA高速光开关能对布拉格反射信号有效增益，改善信噪比，方便后续的光电探测，故该系统对布拉格光栅的反射率要求不高。本发明可以完全取代传统的光纤光栅传感系统，在油罐、输油管道、高压变电站的温度和公路、大桥、大型建筑等的应力、应变情况、健康状况等进行超大容量准分布式测量。

本发明的超大容量时分波分光纤光栅传感系统及其查询方法的优点如下：

1、采用时分复用技术，可以在一个光纤上刻写几千个个全同光栅，结合波分复用技术（如20个波长复用），分组布置不同波长的光栅，同一根光纤上可以刻写几万个光栅，满足新兴物联网对容量的需求。

2、通过读取脉冲延时量，经过简单计算即可获取光栅位置，实现对检测光栅和被测物理量的实时精确定位。系统率定时，系统即可“学习”到各个光栅对应的相位信息。当系统在工作状态时，可通过直接设定相位差，查询对应的光栅，无需查询非光栅点的信息，查询速度相比较传统手段提高数十倍（BOTDR等），适合静态和动态同时测量。

3、可以单独组建时分复用系统，也可以根据需求采用波分复用技术进行扩展，无需增加其它设备，系统扩容简单。适用于弱反射光栅和现有的普通光栅，对光栅的波长一致性无要求，有利于光栅的制作，兼容已有的光纤光栅传感系统。

4、时域反射定位技术成熟，光栅之间无相互串扰，高速SOA光电开关性能稳定，系统稳定性好；对于因环境温度变化引起的光纤长度变化，导致光栅位置的改变，系统能自动检测，不受环境因素的干扰。

5、硬件结构在传统的光纤光栅传感系统中增加了调制和取样模块，对软件算法要求低，系统结构简单。SOA既作为光电开关，又对光信号进行增益，性价比高。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

附图说明

图1为本发明的超大容量时分波分光纤传感系统结构示意图。

图2为本发明的超大容量时分复用系统结构图。

图3为本发明的超大容量时分波分复用系统结构图。

具体实施方式

参见图1-3，本发明的超大容量时分波分光纤光栅传感系统，由宽带光源1、调制模块2、环形器3、光纤光栅传感器阵列4、取样模块5、波长解调仪6、和数据处理计算机7组成；宽带光源1提供宽谱的连续光功率信号；宽带光源1连接调制模块2；调制模块2输出的光信号通过环形器3耦合进布拉格光纤光栅传感阵列4；环形器3的另一个端口接取样模块5;取样模块5连接波长解调仪6;波长解调仪6用导线与数据处理计算机7连接。

其中，调制模块由第一SOA高速光电开关8和信号发生器9构成，对光源信号进行调制并放大，调制输出的光脉冲宽度小于20ns。

取样模块由第二SOA高速光电开光10和信号发生器9构成，对反射的光脉冲在时域内进行选择，并对允许通过的光信号进行放大。

光纤光栅传感器阵列4由多个低反射率（如小于1%）的光纤光栅构成，其中心波长可以相同，也可以不同。

信号发生器9的两个输出端口分别与第一SOA高速光电开光8、第二SOA高速光电开光10连接；信号发生器9的控制端口和数据处理计算机7用导线连接。

系统的工作过程如下：宽带光源1输出的连续光经过调制模块2调制后，形成放大的宽谱光脉冲信号，经过环形器3耦合进入布拉格光纤光栅传感阵列4，反射回来的光脉冲信号进入取样模块5，取样模块根据设定的相位差，以ns级速度控制第二SOA高速光电开关打开和关断，以及保持打开状态的时间长度。当SOA打开时，经过的反射光脉冲被允许通过并获得放大；反之，对反射脉冲阻止光信号通过。数据处理计算机7根据反射光信号的强度判定是否存在布拉格反射，确定布拉格反射后再根据脉冲之间的相位差计算光纤光栅的位置；波长解调仪6对取样信号进行波长解调，检测对应光栅的波长偏移量，解调当前光栅所在位置的被测物理量。

实施例1

对温度进行检测，以N个全同布拉格光纤光栅（假定为N为100，光栅的布拉格波长1303.3nm，反射率0.25%，光栅相互之间间隔5m）构成的时分复用传感系统为例加以详细说明。

本发明中的超大容量时分光纤光栅传感监测方法是采用“准分布式的光纤光栅传感”技术来对100个监测点的温度进行长期、稳定的监测，根据图2中系统的结构示意图，其具体实施步骤是：

1、确定温度监测点的位置及分布：根据监测现场的具体情况，确定100个监测点的位置，初步估计温度值及其变化的趋势，推算整个现场温度分布的概况。

2、选用武汉理工大学光纤中心在线刻写的0.25%反射率光纤光栅，光栅间距5m，布拉格中心波长1303.3nm，在选定的监测点进行依次布设。

3、确定调制脉冲和采样脉冲宽度，扫描速度，选择匹配的波长解调仪。光栅间距5m，为了防止相邻光栅反射信号的串扰，依据上面的计算公式，调制脉冲和采样脉冲宽度设定为20ns；计算出传感光纤长度5*100=500m，查询最末端的光栅所需时间是500*4*2=4000ns，即单个光栅查询时间最大为4us，目前F-P波长解调仪的速度约为1000Hz/s，可见查询速度远高于解调速度，故整个传感系统的速度取决于波长解调仪的工作速度。选择扫描速度1000Hz/s的F-P波长解调仪，100个光栅解调时间约为10ms，完全满足一般系统对实时性的要求。

4、确定光纤光栅传感温度的系数K。依据光纤光栅在现场监测点的固定方式（粘贴）、分布方式（外置、内嵌），选定系数K值，并在系统中进行设置，以保证在数据处理中换算出各点温度值的大小。

5、现场整体状态的确定：系统初始化率定，上电后由计算机控制信号源按相位差间隔0.1°进行扫描，查询“学习”100个光栅对应的相位值并保存；依据监测点温度变化的大小，数据处理系统进行程序的运算，确定现场整体分布的状态，并对极限状态产生报警信号和自动调整控制信号。

实施例2

对应变进行检测，以N组、每组包括M个不同波长（假定N=50，M=5,每组中波长分别为1296nm、1299nm、1302nm、1305nm、1308nm,反射率0.25%，光栅相互之间间隔2m）的波分时分复用传感系统为例加以详细说明。

本发明中的超大容量时分波分光纤光栅传感监测方法是采用“准分布式的光纤光栅传感”技术来对250个监测点的应变进行长期、稳定的监测，根据图3中系统的结构示意图，其具体实施步骤如下：

1、确定应变监测点的位置及分布：根据监测现场的具体情况，确定250个监测点的位置，初步估计温度值及其变化的趋势，推算整个现场温度分布的概况。

2、选用武汉理工大学光纤中心刻写的0.25%反射率光纤光栅，光栅间距2m，布拉格中心波长依次为1296nm、1299nm、1302nm、1305nm、1308nm，在选定的监测点进行依次布设。

3、确定调制脉冲和采样脉冲宽度，扫描速度，选择匹配的波长解调仪。同波长光栅间距10m，为了防止相邻光栅反射信号的串扰，且一次采集一组光栅的反射信号（即空间距离为8m），依据上面的计算公式，调制脉冲20ns，采样脉冲宽度设定为40ns；传感光纤长度5*250=1250m，查询最末端的光栅所需时间是1250*4*2=10000ns，即单个光栅查询时间最大为10us，目前F-P波长解调仪的速度约为1000Hz/s，可见查询速度远高于解调速度，故整个传感系统的速度取决于波长解调仪的工作速度。选择扫描速度1000Hz/s的F-P波长解调仪，采样脉冲宽度为50ns，一次采样5个不同波长的光栅反射信号，50组光栅解调时间约为5ms，完全满足一般系统对实时性的要求。

4、确定光纤光栅传感应变的系数K。依据光纤光栅在现场监测点的固定方式（粘贴）、分布方式（外置、内嵌），选定系数K值，并在系统中进行设置，以保证在数据处理中换算出各点温度值的大小。

5、现场整体状态的确定：系统初始化率定，上电后由计算机控制信号源按相位差间隔0.1°进行扫描，查询“学习”50组光栅对应的相位值并保存；依据监测点应变变化的大小，数据处理系统进行程序的运算，确定现场整体分布的状态，并对极限状态产生报警信号和自动调整控制信号。

Claims

1.一种超大容量时分波分光纤光栅传感系统，其特征在于：所述的传感系统由宽带光源（1）、调制模块（2）、环形器（3）、布拉格光纤光栅传感阵列（4）、取样模块（5）、波长解调仪（6）和数据处理计算机（7）组成；宽带光源（1）提供宽谱的连续光功率信号；宽带光源（1）连接调制模块（2），调制模块（2）输出的光信号通过环形器（3）耦合进布拉格光纤光栅传感阵列(4)；环形器（3）的另一个端口接取样模块(5)；取样模块（5）连接波长解调仪（6），波长解调仪（6）用导线与数据处理计算机（7）连接；

其中，所述的调制模块由第一SOA高速光电开关（8）和信号发生器（9）构成，对光源信号进行调制并放大，调制输出的光脉冲宽度小于20ns；

所述的取样模块由第二SOA高速光电开光（10）和信号发生器（9）构成，以ns级开关速度对反射回来的光脉冲在时域内进行选择，并对允许通过的光信号进行放大；

所述的布拉格光纤光栅传感阵列(4)由多个低反射率的光纤光栅构成，其中心波长相同或者不同；

信号发生器（9）的两个输出端口分别与第一SOA高速光电开光（8）、第二SOA高速光电开光（10）连接；信号发生器（9）的控制端口和数据处理计算机（7）之间用导线连接；

所述的低反射率是指反射率小于1%。

2.根据权利要求1所述的超大容量时分波分光纤光栅传感系统的查询方法，其特征在于：信号发生器（9）产生两路耦合的脉冲信号，第一路输出给第一SOA高速光电开关（8），第二路输出给第二SOA高速光电开关（10），通过调节第二路脉冲信号对第一路脉冲信号的相位差，使取样模块分段采集光纤上不同位置的光强反射信号。

3.根据权利要求2所述的超大容量时分波分光纤光栅传感系统的查询方法，其特征在于：通过调节第二路脉冲信号高电平的宽度，控制第二SOA高速光电开关打开的时间，调节取样模块采集光纤上反射区域的长度。

4.根据权利要求2所述的超大容量时分波分光纤光栅传感系统的查询方法，其特征在于：通过在光纤的不同位置布置全同光栅构建时分光纤光栅传感系统；通过在光纤的不同位置分组布置不同反射波长的光栅构建时分波分光纤光栅传感系统，扩大传感系统容量。

5.根据权利要求2所述的超大容量时分波分光纤光栅传感系统的查询方法，其特征在于：通过调节第一SOA高速光电开关（8）或第二SOA高速光电开关（10）的开关增益，减小对光纤光栅反射率的要求，增加光纤光栅传感阵列的个数，扩大传感系统的容量。

6.根据权利要求2所述的超大容量时分波分光纤光栅传感系统的查询方法，其特征在于：系统根据预扫描获得光栅对应的相位信息，跳过无光栅区域，直接快速查询对应光栅，获取各个光栅的反射信号，波长解调仪（6）对取样信号进行波长解调，检测对应光栅的波长偏移量，实现快速测量。