CN103591971B - 一种光纤光栅的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅的定位方法及系统，基本原理是基于可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，由于可调谐光源具有波长匀速线性扫描特性，通过设置可调谐光源的波长扫描顺序，即分别从短波为起点和以长波为起点，往返扫描一次，便可计算出光栅实际的中心波长以及波长扫描带来的计算波长和实际波长的偏差,继而可以得到待测光栅距离波长解调装置的位置。将光纤光栅铺设在待测温度或应力点的装置上，采用本发明，在波长解调的同时，便可同时得出定位信息、准确的波长信息以及对应的温度信息和应变信息等参数，本方法大大简化了光纤光栅解调系统的结构，由于不需要OTDR技术，从而降低了系统成本。

Description

一种光纤光栅的定位方法

技术领域

本发明属于光纤传感、光学测量技术领域，具体涉及一种光纤光栅的定位方法与系统。

背景技术

FBG(FiberBraggGrating,光纤布拉格光栅)具有反射波长随温度、应力等外界因素呈线性变化的特性，因此监测FBG反射波长的偏移即可测量获得外界参数的变化，并且其探测能力不受光源功率波动、光纤弯曲损耗以及探测器老化等因素的影响，所以非常适合长期的安全监测，尤其是其波长编码特性以及能在单根光纤上实现准分布式测量的优点更是其它传感器所无法比拟的，具有广阔的应用前景。

在一些测温报警场合，比如长距离电力电缆接头的测温报警，用户不仅需要得知温度信息，而且需要得知具体哪个电缆接头发出的温度报警，以便维护人员在最短时间内对问题进行排查。因此，采用FBG准分布式光纤传感系统，将不同中心波长的光纤光栅铺设在待测电缆接头上，利用光纤光栅波长解调技术及传感器定位寻址技术便即得出待测节点的温度信息和位置信息。

目前，光纤光栅波长解调和传感器定位寻址一直是基于FBG光纤传感网络的技术难点。国内专利（CN102102998A）报道了一种“基于弱布拉格反射结构光纤的分布式传感系统”，其特征是融合了波长调制传感技术和OTDR定位技术的光波长时域反射OWTDR型定位。据调研，国内应用于分布式光纤传感系统中实现定位功能一般都采用OTDR技术，将波长解调技术和OTDR技术结合在一起，从而实现待测点的温度、应力、振动和位置信息。

OTDR技术的实现，需要复杂并且昂贵的电光调制器、函数发生器等组成的控制电路支撑，价格昂贵，适用于定位精度非常高的场合（比如定位精度<1米）；但在大多数分布式传感系统领域，定位精度要求不是很高，增加OTDR功能，则整个系统成本很高，大大限制了分布式传感系统的普及和应用。

另在工程施工中，由于光纤光栅传感头与解调装置之间的距离很长，短则几米，长则几十公里，甚至几百、几千公里，光纤的长度直接导致了解调光纤光栅波长时，势必会与出厂定标的光纤光栅波长不一致，因此，在工程施工时，很多情况下需要到工程现场进行现场定标。

因此，如何实现一种既能解析光纤光栅波长，从而解析出相应的温度、应力等信息，又能简便有效地实现定位，解决工程施工和工程维护等问题，是本技术领域开发人员需要面临解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种简便，不增加任何硬件成本的前提下，便可实现上述功能的方法，即在波长解调的同时，利用本方法，便可同时得出定位信息、温度信息和应变信息等参数，本方法大大简化了光纤光栅解调系统的结构，由于不需要OTDR技术，从而降低了系统成本。采用本方法的光纤光栅解调设备同时具备了解析光栅和实现传感头定位的功能。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种光纤光栅的定位方法，其方法包括以下步骤：配置基于可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，其可调谐光源具有波长匀速线性扫描特性，通过设置可调谐光源的波长扫描顺序，分别从短波为起点和以长波为起点，往返扫描一次，便可计算出光栅实际的中心波长以及波长扫描带来的计算波长和实际波长的偏差,继而可以得到待测光栅距离波长解调装置的位置。

按以上方案，其包括以下具体步骤：

步骤1）、配备一台基于可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，其波长匀速线性扫描，扫描速度V=dλ/dt，扫描速度V单位nm/s,其中，λ为可调谐光源的波长；t：扫描时间；并至少配备一条光纤纤芯折射率n的光纤,光纤上刻有不同周期的待测光纤光栅；

步骤2）、设置可调谐激光器的扫描波长顺序，首先，从短波扫描到长波，由光纤光栅波长解调装置计算得出光栅波长为λ₁，光栅波长λ₁单位nm；然后，从长波扫描到短波，由光纤光栅波长解调装置计算得出此时光栅波长为λ₂，光栅波长λ₂的单位nm；以上扫描波长顺序可置换；由以上数据，可得出光栅实际的中心波长λ=（λ₁+λ₂）/2，光栅实际的中心波长λ单位为nm；根据公式△λ=（λ₁–λ）或△λ=（λ–λ₂）计算得出由波长扫描带来的计算波长和实际波长之间的偏差，继而根据以下公式得到待测光栅距离波长解调装置的位置：

L=（c/n）*△λ/2V，其中c为真空中光速，取值3x10⁸米/秒；n为光纤有效折射率；△λ为波长偏差量，单位nm；V为可调谐光源的波长扫描速度，单位nm/s。

按以上方案，所述光纤有效折射率n取值1.5。

按以上方案，所述基于可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，输出波长为光纤中传输波长，波长段包括以下几个波长段之一：1270～1650nm波长段、1270～1650nm中间任意波长段、1270～1650nm中间任意波长段的组合。

按以上方案，所述基于可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，包括一个可调谐光源、一个光耦合器或环形器、一个光电转换模块、一个数据采集单元、一个计算控制单元。

按以上方案，当所述基于可调谐光源的光纤光栅波长解调装置为多通道光纤光栅波长解调装置，用至少一个1xN并且N≥1的分路器或光开关将可调谐光源的光分成N路，而后对每一路进行解调，所述多通道光纤光栅波长解调装置包括一个可调谐光源、至少1个1xN并且N≥1的分路器或光开关，至少一个光耦合器或环形器、一个单通道或多通道光电转换模块、一个数据采集单元、一个计算控制单元。

一种光纤光栅的定位系统,其不同在于，其包括至少一台基于可调谐光源的光纤光栅波长解调装置和至少一路刻有光纤光栅传感器的光纤；光纤光栅波长解调装置的光路输出端口与刻有光纤光栅传感器的光纤连接，经光栅传感器返回的数据经波长解调装置解调后得到定位信息和/或温度信息和/或应变信息，光纤光栅波长解调装置的光源为可进行匀速线性扫描的可调谐光源，其波长分辨率可达到1pm，波长扫描速度大于10pm/2us。

按以上方案，基于可调谐光源的光纤光栅波长解调装置包括一个可调谐光源模块、一个光耦合器或环形器、一个光电转换模块、一个数据采集单元、一个计算控制单元；可调谐光源的输出端接光耦合器或环形器的输入端，光耦合器或环形器的一输出端以光纤端口的形式留出，外接待测的至少一个布拉格光纤光栅，另一输出端经光电转换模块后接入数据采集单元，最终进入计算控制单元。

按以上方案，基于可调谐光源的光纤光栅波长解调装置为多通道光纤光栅波长解调装置，用至少一个1xN并且N≥1的分路器或光开关将可调谐光源的光分成N路，而后对每一路进行解调，基于可调谐光源的光纤光栅波长解调装置具体包括一个可调谐光源、至少1个1xN并且N≥1的分路器或光开关，至少一个光耦合器或环形器、一个单通道或多通道光电转换模块、一个数据采集单元、一个计算控制单元，可调谐光源经分路器或光开关将可调谐光源的光分成N路输出到光耦合器或环形器的输入端，光耦合器或环形器的一输出端以光纤端口的形式留出，外接待测的至少一个布拉格光纤光栅，另一输出端经单通道或多通道光电转换模块后接入数据采集单元，最终进入计算控制单元。

按以上方案，所述多通道光电转换模块由N个探测器PIN、光电转换、滤波、放大、整形电路构成，N≥1。

定位信息及温度信息和应变信息可以独立显示，也可由该装置的通信端口（包括网口、RS485、RS232、USB等）发送到其它终端或服务器。

详细计算原理如下：若光栅中心波长为λ，光栅与解调设备的距离为L，则从解调设备发出信号到接收到光栅的返回信号，需要经历时间△t=2*L/（c/n）（c为真空中光速，n纤芯折射率）。又因光栅解调设备的波长扫描速度为V=dλ/dt，经过dt的时间波长改变量为dt*V。所以，设置可调谐激光器的扫描波长顺序，假设当从短波到长波扫描时，经历时间△t，得到光栅波长λ₁，比光栅实际中心波长往长波方向偏移△t*V。反之，从长波到短波扫描时，同样经历时间△t，得到光栅波长λ₂，比光栅实际中心波长往短波偏移△t*V。因此可以得出光栅实际的中心波长λ=（λ₁+λ₂）/2，两次扫描的波长偏差△λ=（λ₁–λ）=（λ–λ₂）=dt*V。因为λ₁和λ₂可以测试得到，从而可以得出△λ,如图1所示。又光栅解调设备波长扫描速度为V=dλ/dt已知，所以可以计算得出偏差△λ所经历的时间△t=△λ/V，从而可得到光纤光栅距离解调设备的位置L=（c/n）*△t/2=（c/n）*△λ/2V（c为真空中光速，n纤芯折射率，V为可调谐光源的波长扫描速度），实现光纤光栅的定位。

本发明还提供了一种光纤光栅的定位系统，包括至少一台基于可调谐光源的光纤光栅波长解调装置和至少一路带有光纤光栅传感器的光纤。具体连接关系为：从波长解调装置的光路输出端口与刻有光纤光栅传感器的光纤连接，经光栅传感器返回的数据经波长解调装置解调后，定位信息及温度信息和应变信息可以独立显示，也可由该装置的通信端口（包括网口、RS485、RS232、USB等）发送到其它终端或服务器。光纤光栅波长解调装置的光源为可调谐光源，可匀速线性扫描，其波长分辨率可达到1pm，波长扫描速度大于10pm/2us。

对比现有技术，本发明的原理及有益效果如下：利用本发明，在不增加任何硬件成本的前提下，便可实现光纤光栅的定位功能，即在波长解调的同时，利用本方法，便可同时得出定位信息、温度信息和应变信息等参数；而且利用本方法，可计算出实际光栅的反射中心波长，从而可以解决工程施工中因出厂光纤和施工现场光纤的长度不同而导致的测量波长与校准波长不一致的问题；由于给出定位信息，因此可以大大方便工程施工人员和维护人员排查问题，大大缩短解决问题的时间。

本方法大大简化了光纤光栅解调系统的结构，从而降低了系统成本。采用本方法的光纤光栅解调设备没有采用OTDR技术便可同时具备了解析光栅波长和定位的功能。

附图说明

图1为本发明实施例的方法示意图；

图2为本发明实施例的系统框图示意图；

图3为本发明实施例中的多通道光纤光栅波长解调装置利用分路器实现方案示意图；

图4为本发明实施例中的多通道光纤光栅波长解调装置利用光开关实现方案示意图。

具体实施方式

本发明的主要思想是提出一种简便有效、性价比高的光纤光栅定位方法及系统，本发明在不增加任何硬件成本的前提下，便可实现光纤光栅的定位功能，即在波长解调的同时，利用本方法，便可同时得出定位信息、温度信息和应变信息等参数。而且利用本方法，可计算出实际光栅的反射中心波长，从而可以解决工程施工中因出厂光纤和施工现场光纤的长度不同而导致的测量波长与校准波长不一致的问题；由于给出定位信息，因此可以大大方便工程施工人员和维护人员排查问题，大大缩短解决问题的时间。

本方法大大简化了光纤光栅解调系统的结构，从而降低了系统成本。采用本方法的光纤光栅解调设备没有采用OTDR技术便可同时具备了解析光栅波长和定位的功能。

现结合附图对本发明做进一步描述：参见图1-图4，本发明一种光纤光栅的定位方法，其方法包括以下步骤：配置基于可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，其可调谐光源具有波长匀速线性扫描特性，通过设置可调谐光源的波长扫描顺序，分别从短波为起点和以长波为起点，往返扫描一次，便可计算出光栅实际的中心波长以及波长扫描带来的计算波长和实际波长的偏差,继而可以得到待测光栅距离波长解调装置的位置。

参阅附图1与附图2，假设光纤光栅中心波长为λ，光栅与解调设备的距离为L，则从解调设备发出信号到接收到光栅的返回信号，需要经历时间△t=2*L/（c/n）（c为真空中光速，n纤芯折射率）。又因光栅解调设备的波长扫描速度为V=dλ/dt，经过dt的时间波长改变量为dt*V。所以，设置可调谐激光器的扫描波长顺序，假设当从短波到长波扫描时，经历时间△t，得到光栅波长λ₁，比光栅实际中心波长往长波方向偏移△t*V。反之，从长波到短波扫描时，同样经历时间△t，得到光栅波长λ₂，比光栅实际中心波长往短波偏移△t*V。因此可以得出光栅实际的中心波长λ=（λ₁+λ₂）/2，在两次扫描时间内，其它环境参数还未来得及变化时，便可得出由于光栅与解调设备之间的距离L导致的波长偏差△λ=（λ₁–λ）=（λ–λ₂）=dt*V。因为λ₁和λ₂可以测试得到，从而可以得出△λ,又因光栅解调设备波长扫描速度为V=dλ/dt已知，所以可以计算得出偏差△λ所经历的时间△t=△λ/V，从而可得到光纤光栅距离解调设备的位置L=（c/n）*△t/2=（c/n）*△λ/2V（c为真空中光速，n纤芯折射率，V为可调谐光源的波长扫描速度），实现光纤光栅的定位。

举例说明，假设光栅解调设备的波长扫描速度为10pm/2us，扫描波长范围1520nm～1570nm，共扫描50nm带宽，则扫描一次需要10ms时间，往返两次扫描时间仅为20ms；而目前光纤光栅解调设备应用于温度监测和静应力监测场合中，温度报警和应力监测的相应速度均在秒（s）量级以上，因此，在温度或应力监测的时间内，利用本发明，可以方便快捷地测试出光栅的定位信息。按照本发明中解调设备的波长分辨率为1pm计算，利用公式：L=（c/n）*△λ/2V（c为真空中光速，n纤芯折射率，V为可调谐光源的波长扫描速度），此处，取n=1.5,△λ=1pm，c=3′10⁸m/s，V=10pm/2us,可计算得出定位精度为20米。如果将光栅解调设备的波长扫描速度提升到10pm/0.2us，则定位精度可达2米。

附图2是本发明的一种光纤光栅的定位系统,包括至少一台基于可调谐光源的光纤光栅波长解调装置和至少一路带有光纤光栅传感器的光纤。具体连接关系为：从波长解调装置的光路输出端口与刻有光纤光栅传感器的光纤连接，经光栅传感器返回的数据经波长解调装置解调后，定位信息及温度信息和应变信息可以独立显示，也可由该装置的通信端口（包括网口、RS485、RS232、USB等）发送到其它终端或服务器。

参阅附图3，为本发明的多通道光纤光栅波长解调装置利用分路器实现方案示意图。具体包括一个可调谐光源模块、1个1xN(N≥1)的分路器，至少一个光耦合器或环形器、一个多通道光电转换模块、一个数据采集单元、一个计算控制单元。光路实现原理为，首先光由可调谐光源模块输出，经由至少一个1xN(N≥1)的分路器同时将可调谐光源的光分成N（N≥1）路，然后每一路通过一个1x2的光耦合器或环形器后接入光纤，并由光纤上带有的N（N≥1）串不同波长的光纤光栅反射，携带被测信息的光反向通过耦合器或者环行器后，入射到多通道光电转换模块上，经数据采集单元和计算控制单元，可计算出光纤光栅反射的波长信息。本方案中采用光分路器进行分光，各通道的光同时接入不同通道的待测光纤光栅中，并行处理。

参阅附图4，为本发明的多通道光纤光栅波长解调装置利用光开关实现方案示意图。具体包括一个可调谐光源模块，1个1x2的光耦合器或环形器，一个1xN(N≥1)的光开关，一个单通道光电转换模块、一个数据采集单元、一个计算控制单元。光路实现原理为，首先光由可调谐光源模块输出，经由一个1x2的光耦合器或环形器后，经1个1xN(N≥1)的光开关分时切换到不同通道的待测光纤，经光纤上带有的N（N≥1）串不同波长的光纤光栅反射，携带被测信息的光反向通道光开关，经1x2耦合器或环形器的另一端输出给单通道光电转换模块，经数据采集单元和计算控制单元，可计算出光纤光栅反射的波长信息。本方案中采用光开关进行分光，各通道的光分时接入不同通道的待测光纤光栅中，分时进行数据处理。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种光纤光栅的定位方法，其特征在于：其方法包括以下步骤：配置基于可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，其可调谐光源具有波长匀速线性扫描特性，通过设置可调谐光源的波长扫描顺序，分别从短波为起点和以长波为起点，往返扫描一次，便可计算出光栅实际的中心波长以及波长扫描带来的计算波长和实际波长的偏差,继而可以得到待测光栅距离波长解调装置的位置。

2.如权利要求1所述的光纤光栅的定位方法,其特征在于：其包括以下具体步骤：

步骤1）、配备一台基于可调谐光源的光纤光栅波长解调装置，其波长匀速线性扫描，扫描速度V=dλ/dt，扫描速度V单位nm/s,其中，λ为可调谐光源的波长；t：扫描时间；并至少配备一条光纤纤芯折射率n的光纤,光纤上刻有不同周期的待测光纤光栅；

步骤2）、设置可调谐激光器的扫描波长顺序，首先，从短波扫描到长波，由光纤光栅波长解调装置计算得出光栅波长为λ₁，光栅波长λ₁单位nm；然后，从长波扫描到短波，由光纤光栅波长解调装置计算得出此时光栅波长为λ₂，光栅波长λ₂的单位nm；以上扫描波长顺序可置换；由以上数据，可得出光栅实际的中心波长λ=（λ₁+λ₂）/2，光栅实际的中心波长λ单位为nm；根据公式△λ=（λ₁–λ）或△λ=（λ–λ₂）计算得出由波长扫描带来的计算波长和实际波长之间的偏差，继而根据以下公式得到待测光栅距离波长解调装置的位置：

L=（c/n）*△λ/2V，其中c为真空中光速，取值3x10⁸米/秒；n为光纤有效折射率；△λ为波长偏差量，单位nm；V为可调谐光源的波长扫描速度，单位nm/s。

3.如权利要求2所述的光纤光栅的定位方法,其特征在于：所述光纤有效折射率n取值1.5。