CN101915595A - 基于频域反射光纤光栅传感技术的波分复用网络构建方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于频域反射光纤光栅传感技术的波分复用网络构建方法和系统，属于光纤传感技术领域。它是一种大容量光纤光栅传感网络的构建方法和系统，以啁啾光纤光栅为宽带反射滤波器与大量相同和不同中心波长光纤Bragg光栅按照一定方式组合而形成，是一种基于频域反射的波分复用技术，是一种大容量、远距离、分布式光纤光栅传感网络系统。该传感网络系统集频域反射和波分复用技术优势与一体，与波分复用、时分复用和频域反射的光纤光栅传感网络相比，无论是网络容量、测量密度，还是测量距离都有很大提高。本发明特别适合于在那些大型土木工程、石油和化工、航空和航天等领域的大规模分布式传感领域应用。

Description

基于频域反射光纤光栅传感技术的波分复用网络构建方法和系统

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感网络，特别是涉及一种大容量光纤光栅传感网络复用技术，属于光纤光栅传感技术领域。

背景技术

光纤光栅传感器采用独特的波长编码，具有测量精度高、抗电磁干扰、长期稳定性好、与光纤兼容等特点，特别是采用波分、时分、频分复用等技术可以组成一线多点的分布式传感网络，在土木工程、石油化工、航空和航天等领域得到广泛应用。

在光纤光栅波分复用(美国专利4806012)传感网络系统中，每个光纤光栅传感器需要占用一定的波长空间，而光源的带宽又是有限的，所以一根光纤可复用的光纤光栅数量非常有限，很难满足某些领域(如航空和航天)大规模的分布式传感网络系统的要求。同时，由于该系统要求每个测点光纤光栅的中心波长不同，这就为制作大量的不同波长的光纤光栅带来极大的困难和成本。虽然结合空分复用技术可以在某种程度上扩大网络容量，但由此增加的传输光纤的数量势必会占用额外的空间，同时增加信号处理设备的规模，这种扩容方式技术含量低，不是光纤光栅传感网络技术的主流发展方向。采用时分复用技术的光纤光栅传感网络(美国专利4996419，6212306B1，6571027B2)光纤光栅的定位是通过光纤光栅反射光脉冲的时间序列来编码的，所以这种传感网络测点的空间分辨率受到光探测器的时间响应和系统处理速度的限制，无法应用到那些要求传感器分布密集的传感网络系统中。Alan D Keysey等人提出(美国专利5757487)的波分和时分混合复用技术虽然可以大大的提高单根光纤传感器的容量，但是，测量点的空间分辨率问题仍然无法得到解决。

Mark E.Froggstt于1998年提出(美国专利5798521，6566648 B1)的基于频域反射的光纤光栅分布传感系统，较好的解决了单根光纤的传感器容量和空间分辨率问题。基于频域反射的光纤光栅传感系统实际上是一种干涉定位技术，光纤光栅的位置是通过光纤光栅与一反射镜的反射光的干涉频谱来确定，而不是通过波长编码。在基于频域反射的光纤光栅传感系统中，串接的光纤光栅的波长是相同的，单根光纤的传感网络的容量不再受到光源波长带宽限制，网络中测点的空间分辨率也不受探测器时间响应的限制，极大的提高了单根光纤的网络容量和网络测点的空间分辨率。同时，由于该系统仅使用相同波长的光纤光栅传感器，这些光纤光栅可以在光纤拉制过程中进行“在线写入”，降低了不同波长光纤光栅的制作成本，避免了分布式传感网络构建时大量光纤光栅之间的焊接过程。但是，这种频域反射光纤光栅传感网络对光源的相干性要求较高，光纤光栅传感网络的测量距离受到光源相干长度和可调谐激光的波长分辨率的限制；同时，网络的光纤光栅数量的增加是以减少单个光栅的反射率为代价的，弱反射光纤光栅的测量对光源和光探测器的性能提出了更高的要求，势必增加系统信号测量的难度。

发明内容

本发明的目的在于针对光纤光栅传感工程应用中的实际需要和现有技术的不足，提出一种基于频域反射光纤光栅传感技术的波分复用网络构建方法和系统。采用这种方式构建的光纤光栅传感网络不仅可以大大的提高频域反射光纤光栅传感网络的传感器容量，而且还可以将传感网络的测量距离提高数十倍。这种基于频域反射的波分复用光纤光栅传感网络可以在那些大规模的、测量点数密集的、远程监测系统如隧道和油罐火灾报警、边界异物侵限报警等系统中得到广泛应用。

本发明的目的是通过如下措施达到的：

基于频域反射的光纤光栅波分复用传感网络的构建，是将若干不同中心波长的啁啾光纤光栅与若干包含相同或不同波长的光纤Bragg光栅按照某种组合方式串接，形成光纤光栅传感网络，参见附图1。在该网络系统中，光纤Bragg光栅作为传感器，同时，也起到窄带反射镜作用，其中心波长会因为温度或应变的作用而改变；而啁啾光纤光栅主要起到宽带反射镜作用，其带宽应该覆盖相同波段的光纤Bragg光栅中心波长的变化范围。光纤光栅的排列组合方式是：若干相同中心波长的光纤Bragg光栅相邻连接，构成一个全同光纤Bragg光栅的测量区域，再与啁啾光纤光栅和其它不同中心波长的光纤Bragg光栅组成的测量区域连接，啁啾光纤光栅将不同中心波长光纤Bragg光栅组成的测量区域分隔。从附图1可以看到，如果将光纤光栅按照波长来进行编号，则第一个中心波长对应的啁啾光纤光栅和光纤Bragg光栅分别记为CFBG1和FBG1，第二个中心波长对应的啁啾光纤光栅和光纤Bragg光栅分别记为CFBG2和FBG2，以此类推。光纤Bragg啁啾光纤光栅与光纤Bragg光栅按照图1所示的方式排列，可以看到，某个中心波长的啁啾光纤光栅与其同一中心波长光纤Bragg光栅组成的区域并不相邻，而是有一段距离，这段距离应至少大于这一全同光纤Bragg光栅测量区域的长度，这是频域反射定位技术所必需的。

基于频域反射波分复用光纤光栅传感网络的测点位置确定方法是：不同的波长测量区域可由相应波长来确定，相同波长区域中的光纤Bragg光栅位置则根据频域反射的定位原理来确定。频域反射的定位原理是：某个中心波长的啁啾光纤光栅与同一中心波长的光纤Bragg光栅组成“法布里-玻罗”反射滤波器，“法布里-玻罗”反射滤波器的频谱是一周期函数，该周期与光纤Bragg光栅到啁啾光纤光栅的距离有关，由此可根据干涉频谱周期来确定这个光纤Bragg光栅的位置。

基于频域反射光纤光栅传感技术波分复用传感网络系统，主要由窄带波长可调谐激光光源、光电探测器、光纤环形器或3dB光纤分路器、啁啾光纤光栅、光纤Bragg光栅、模数转换器、计算机、数模转换器和功率放大器组成；由所述的啁啾光纤光栅和光纤Bragg光栅构建的传感网络通过光纤环形器或3dB光纤分路器分别于可调谐激光光源和光电探测器相连，光电探测器经过模数转换器将数据输入计算机，计算机再经过数模转换器和功率放大器控制可调谐激光光源进行波长调谐。

本发明与文献[1]有着本质的区别：(1)文献[李志全，黄丽娟，吴飞等“基于OFDR/WDM的光纤光栅传感网络研究”，光子学报，2005年1月，vol34，No.1，86-88]]涉及的频域反射技术是采用的是Mach-Zehnder干涉仪对宽带光源进行强度调制来实现的，而本项发明涉及的频域反射技术是对激光的波长调制，通过“法布里-玻罗”干涉谱来实现全同波长光纤Bragg光栅的定位；(2)文献[1]涉及的光纤光栅传感网络利用了三根传输光纤，而本项发明涉及的光纤光栅传感网络是在一根光纤上完成的。

本发明与现有技术相比具有如下突出特点：

1、使用一定带宽的啁啾光纤光栅作为反射镜，与同波段的光纤Bragg光栅组成“法布里-玻罗”滤波器，用来对相同中心波长的光纤Bragg光栅定位；

2、在频域反射光纤光栅传感网络中使用波分复用技术，将网络容量大大提高；

3、在频域反射光纤光栅传感网络中使用波分复用技术，将频域反射光纤光栅传感网络的测量距离提高数十倍，甚至百倍；

4、基于频域反射的波分复用光纤光栅传感网络系统，构建方便，经济实用。

附图说明

图1为本发明基于频域反射的波分复用光纤光栅传感网络系统。

图中：1-窄带波长可调谐激光光源TLD，2-光电探测器PD，3-光纤环形器或3dB光纤分路器，4-啁啾光纤光栅CFBG，5-光纤Bragg光栅FBG，6-模数转换器，7-计算机，8-数模转换器，9-功率放大器。其中，CFBG和FBG的序号表示光栅的中心波长，序号相同的表示光栅中心波长相同或处在相同波段，序号不同的表示光栅的中心波长不同或处在不同波段。

图2为光纤Bragg光栅反射光谱。

图3啁啾光纤光栅反射光谱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案和实现原理作进一步描述。

本发明涉及的光纤光栅频域反射波分复用传感网络系统的结构如图1所示，包括：窄带宽波长可调谐激光光源(TLD)-1，光电探测器(PD)-2，光纤环形器或3dB光纤分路器-3，啁啾光纤光栅(CFBG)-4，光纤Bragg光栅(FBG)-5，模数转换器-6，计算机-7，数模转换器-8，功率放大器-9；由啁啾光纤光栅和光纤Bragg光栅组成的传感网络通过光环形器或3dB光纤分路器3与可调谐激光光源1和光电探测器2连接，光探测器2经过模数转换器6与计算机7相连，计算机7再依次经过数模转换器8、功率放大器9和可调谐激光光源1连接。

光纤光栅频域反射波分复用传感网络系统的工作原理是：光从TLD发出，经过光纤环形器或3dB耦合器入射到光纤光栅传感网络中，经过传感网络中的啁啾光纤光栅和光纤Bragg光栅反射后，再经过光纤环形器或3dB耦合器入射到光电探测器，光电探测器将光强度信号转化为电信号输入到模数转换器，模数转换器将模拟信号转化为数字信号输入计算机进行处理。于此同时，由计算机发出指令，通过数模转换器和功率放大器产生锯齿波信号，来控制可调谐激光光源进行波长调谐。

激光的波长调谐与光电探测同步进行，不同波段内的探测数据属于相应的测量区域，进行分别保存和处理以区别不同区域的测量数据。同一波段区域的定位方法采用频域反射原理，其原理是：啁啾光纤光栅与同波段的光纤Bragg光栅以及光纤Bragg光栅之间形成一系列“法布里-玻罗”反射滤波器，这些滤波器的频谱是一系列不同频率的正弦或余弦函数的叠加，这些正弦或余弦函数的周期与组成这些“法布里-玻罗”滤波器的光纤光栅之间的间距有关，满足：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{2L}---\left(1\right)$

式中，λ为光波长，Δλ称为自由频谱范围，也是频谱分布的周期。

将这些叠加在一起的频谱函数进行傅里叶变换，就得到这些频谱函数的傅里叶变换谱，这些傅里叶变换频谱的位置正比于组成这些“法布里-玻罗”滤波器的光纤光栅之间的距离。处在低频区域的傅里叶变换谱来自同一波段的光纤Bragg光栅之间，可以将其滤掉，剩下的傅里叶变换频谱就是对应的光纤Bragg光栅与啁啾光纤光栅产生的，由此可以确定它们相对啁啾光纤光栅的位置。再次对这些经过滤波后的傅里叶谱进行逆傅里叶变换，就得到这系列光纤Bragg光栅的波长-强度分布函数，通过寻峰技术即可得到这些光纤光栅的波长位置。

综合上述过程，就可实现整个光纤光栅传感网络测量和定位。

Claims (4)

1.基于频域反射光纤光栅传感技术波分复用传感网络的构建方法，其特征在于：传感网络由若干中心波长不同的啁啾光纤光栅(4)和若干相同和不同中心波长的光纤Bragg光栅(5)按照下述组合方式用一根光纤串接组成，中心波长相同的光纤Bragg光栅相邻连接组成一个测量区域，再与啁啾光纤光栅和其它不同中心波长的光纤Bragg光栅组成的测量区域连接，啁啾光纤光栅将不同中心波长光纤Bragg光栅组成的测量区域分隔。

2.根据权利要求1所述的基于频域反射光纤光栅传感技术波分复用传感网络的构建方法，其特征在于：某一中心波长的啁啾光纤光栅与同一中心波长的光纤Bragg光栅的测量区域并不相邻，而是间隔一定距离，其间距要大于同一中心波长光纤Bragg光栅测量区域的长度。

3.根据权利要求1所述的基于频域反射光纤光栅传感技术波分复用传感网络的构建方法，其特征在于：啁啾光纤光栅与光纤Bragg光栅测量区域按照波长的排列次序为CFBG1、CFBG2、FBG1测量区域、CFBG3、FBG2测量区域、-------、FBGn测量区域；其中，CFBG1与CFBG2之间间隔距离大于FBG1测量区域的长度。

4.基于频域反射光纤光栅传感技术波分复用传感网络系统，其特征在于：该系统主要由窄带波长可调谐激光光源(1)、光电探测器(2)、光纤环形器或3dB光纤分路器(3)、啁啾光纤光栅(4)、光纤Bragg光栅(5)、模数转换器(6)、计算机(7)、数模转换器(8)、功率放大器(9)组成；由权利要求1所述的啁啾光纤光栅和光纤Bragg光栅构建的传感网络通过光纤环形器或3dB光纤分路器(3)分别于可调谐激光光源(1)和光电探测器(2)相连，光电探测器(2)经过模数转换器(6)将数据输入计算机(7)，计算机(7)再经过数模转换器(8)和功率放大器(9)控制可调谐激光光源(1)进行波长调谐。

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